EP0049714A1

EP0049714A1 - Elektromagnetisch gesteuerter Servoantrieb mit Nachlaufsteuerung

Info

Publication number: EP0049714A1
Application number: EP80108176A
Authority: EP
Inventors: Robert W. Brundage
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-02
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1982-04-21
Also published as: NO811257L; EP0049714B1; FI803795L; SE8101580L

Abstract

Die Erfindung ist auf eine Druckmittelvorrichtung gerichtet, bei welcher mittels eines verhältnismäßig leistungsschwachen analogen elektrischen Signals die Position eines druckmittelbeaufschlagten Stellgliedes od.dgl. steuerbar ist, welches seinerseits mechanische Stell-, Schalt-, Steuer- oder Antriebskräfte ausübt, um mechanische Vorrichtungen, z.B. Druckmittelpumpen, Motoren, Ventile u.dgl. zu betätigen. Die Druckmittelvorrichtung weist eine Druckkammer (22) auf, die über Einlaß- und Auslaßkanäle (70, 75) mit einem Hochdruck (16) und einem Niederdruck (15) in Verbindung steht. Ein vollständig in der Druckkammer (22) angeordnetes, druckausgeglichenes Steuerelement (C), welches aus magnetisch wirksamen Werkstoff besteht, ist mit Hilfe eines von außen erzeugten Magnetfeldes in der Druckkammer verstellbar. Mindestens einer der genannten Kanäle (70, 75) ist mit dem Stellglied (P) bzw. dem Außgangsteil (10) der Druckmittelvorrichtung derart beweglich, daß er durch das Steuerelement (C) gegenüber dem anderen Kanal geöffnet oder geschlossen wird.

Das Stellglied (P) folgt automatisch dem Steuerelement (C), wobei sich der Druck in der Druckkammer (22) verändert, wodurch etwaige Änderungen der von außen wirkenden Kräfte kompensiert werden.

Bei einer Alternativausführung weist das Stellglied (P) oder ein hiermit verbundenes Ausgangsteil (10) ein stangenartiges Element (Steuerkanalelement) (E) auf, welches mit einer seitlichen Öffnung (80, 81) für einen der genannten Kanäle (70, 75) versehen ist. Das Steuerelement (C) besteht aus einer Hülse, welche das stangenförmige Element (E) umschließt und von außen her verstellbar ist, was z.B. durch ein Magnetfeld oder eine äußere mechanische Zwischenverbindung oder auf andere Weise erfolgen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Druckmittelvorrichtungen, bei welchen der Druck eines Druckmediums ein Arbeits- oder Stellglied mit hoher Kraft in eine Position verstellt, welche sich, vorzugsweise mit Hilfe eines Magnetfeldes, von außen her einstellen bzw. verändern läßt. Insbesondere ist die Erfindung auf Stell- und Servomotoren, Schalt- und Servoventile, Kraftbetätiger zur Steuerung und/oder Schaltung mechanischer Vorrichtungen, wie vor allem Ventile, Motoren und/oder Pumpen u.dgl. gerichtet, bei welchen eine erhebliche mechanische Schalt- oder Steuerkraft mit Hilfe leistungsschwacher elektrischer Steuersignale aufgebracht werden kann. Obwohl die Erfindung bevorzugt für hydraulisch betriebene Geräte der genannten Art vorgesehen ist, läßt sie sich auch bei pneumatischen Geräten zur Anwendung bringen.
In der Technik werden für vielfältige Zwecke ferngesteuerte Stellmotoren, Kraftschalter u.dgl. verwendet, um eine mechanische Schalt- oder Stellkraft auszuüben, um ein Arbeits-oder Funktionsteil über kurze Wege in eine vorbestimmte Position zu bringen und das Arbeits- und Funktionsteil selbst bei Änderungen einer in Rückstellrichtung wirkenden Kraft in dieser Position zu halten. Das Arbeits- und Funktionsteil kann ein beliebiges Objekt, z.B. eine Motor- oder Pumpensteuerung, eine Ventilsteuerung od.dgl. sein.
In der Vergangenheit sind für diese Zwecke elektrische Motoren, elektrische Magnetvorrichtungen und hydraulisch betätigte Stellvorrichtungen verwendet worden. Elektrische Stellmotoren und magnetische Betätigungsvorrichtung en ermöglichen in einfacher Weise eine Fernsteuerung, da hierfür lediglich elektrische Drahtverbindungen zwischen den Steuervorrichtungen und den gesteuerten Teilen benötigt werden. Elektrische Stellmotoren verlangen jedoch die Verwendung von Untersetzungsgetrieben und sind daher verhältnismäßig groß bauende, verwickelte und teure Geräte, die außerdem mit verhältnismäßig langen Schaltzeiten arbeiten. In vielen Fällen unerwünscht ist auch, daß die Untersetzungsgetriebe im allgemeinen-selbstsperrend sind, um das angetriebene Teil auch bei Änderungen der auf sie von außen wirkenden Kraft in der jeweils eingestellten Position zu halten. Aufgrund der Selbstsperrung kann das angetriebene Teil bei einem Ausfall der Stromversorgung auch nicht in seine Ausgangsstellung zurückgelangen. Elektrisch betriebene Stellmotoren werden im allgemeient mittels elektrischer Impulse betätigt, die sehr genau abgestimmt werden müssen, um bestimmte Stellwege zu erzielen. Die hierfür benötigten Zeitsteuerungen u.dgl. sind teuer und aufwendig.
Mit elektrischen Magnetvorrichtungen lassen sich im Bezug auf ihre Baugröße verhältnismäßig kleine Stell- oder Schaltkräfte erzielen. Sie weisen ein verhältnismäßig niedriges Verhältnis von Stellkraft zu elektrischer Energie auf, die in Form eines analogen elektrischen Signals kontinuierlich aufgebracht werden muß. Obwohl magnetische Solenoide bei einem gegebenen Erregerstrom schnell ansprechen, sind sie nicht geeignet, ein Objekt in einer Festposition zu halten, wenn die äußere Krafteinwirkung an dem Objekt sich ändert. Um diesen Mangel zu beheben, müssen verwickelte Rückkopplungsschaltungen u.dgl. vorgesehen werden.
Hydraulische Kraftschalter und Stellmotoren sind für den genannten Zweck hervorragend geeignet. Mit ihnen lassen sich bei verhältnismäßig kleinen Bauabmessungen große mechanische Kräfte aufbringen. Sie sind geeignet, einen Gegenstand unabhängig von sich ändernden Krafteinwirkungen in jeder Einstellposition zu halten. Allerdings ist die Fernsteuerung dieser hydraulischen Stellmotoren problematisch. Die hierfür verwendbaren elektrischen Antriebe und Magnetventile weisen die vorgenannten Nachteile auf. Die herkömmlichen hydraulischen Stellantriebe weisen eine Steuerstange auf, die durch eine Dichtpackung in ein das zu schaltende Bauteil aufnehmendes Gehäuse eingeführt werden muß. Die Stangenabdichtung verursacht eine nicht unerhebliche Reibung an der Steuerstange, so daß verhältnismäßig große mechanische Kräfte zur Bewegung der Steuerstange erforderlich sind. Ferner ergibt sich aufgrund der Stangenreibung insbesondere bei einem elektromagnetischen Stellantrieb eine Hysterese-Schleife, die sich nachteilig auf die Ansprechempfindlichkeit auswirkt. Die Abdichtung gegenüber den vollen hydraulischen Drücken führt nicht selten zu Leckagen und Wartungsproblemen sowie Betriebsstörungen.
Bei hydraulischen Kraftschaltern, Stellmotoren u.dgl. ist es daher üblich, das hydraulische Druckmedium über von Hand oder automatisch betätigte Ventile und Leitungsverbindungen zu einer Steuerstelle zu führen und von dieser zurück zu dem hydraulischen Stellantrieb. Dabei können sich sehr lange Leitungswege ergeben. Der Arbeits- und Kostenaufwand für die Verbindungsleitungen und deren Verlegung ist beträchtlich, insbesondere wenn die Leitungen in beengten Räumen und Kurven verlegt werden müssen und/ oder wenn eine größere Anzahl an Steuerungen vorgesehen werden muß.. Die Leitungsverbindungen unter Verwendung von Rohr- oder Schlauchleitungen, Anschlußarmaturen uodgl. können bei Leckagen zu erheblichen Betriebsstörungen führen.
Ferngesteuerte Linear-Servomotoren sind seit langem bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem in einem Gehäuse gelagerten Arbeits- oder Stellglied und einem sich durch das Gehäuse erstreckenden Betätigungsschaft. Im Inneren des Stellgliedes ist ein Servoventil angeordnet, welches die Verbindungen zwischen Druck- oder Saugkammern und einer dritten veränderlichen Druckkammer steuert. Das Steuerelement des Servoventils weist im allgemeinen einen aus dem Gehäuse herausragenden Schaft auf, der sich durch verschiedene, von außen her aufgebrachte Verstellkräfte einstellen läßt. Da das eine Schaftendedem Atmosphärendruck ausgesetzt ist, muß auch das andere Schaftende bei gleichem Durchmesser mit der Atmosphäre in Verbindung stehen, was einen nicht unerheblichen Dichtungsaufwand erfordert und zu Schwierigkeiten führt, wenn mehrere Öffnungen in unbedingt konzentrischer Ausfluchtung bei gröBeren Abständen derselben gehalten werden müssen. Da keine Ausfluchtung vollkommen ist, ergibt sich hier eine zusätzliche Reibung in Verbindung mit dem Steuerelement des Servoventils. Die genannte Dichtung bewirkt außerdem zusätzliche Reibung. Dies führt bei Servoventilen zu einer ausgeprägten Hyterese. Je größer die Hysterese, um so größer muß die Erregervorrichtung in ihrer Leistung ausgelegt werden, da die Einstellungsgenauigkeit nur so genau sein kann wie die Gesamt-Hysteresekraft, dividiert durch die Erregerkraft. Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Schwierigkeiten, die sich aus der hohen Hysteresereibung ergeben, behoben werden.
Aus der US-PS 29 30 360 und der US-PS 31 31 608 sind elektrisch gesteuerte Servomotoren bekannt. Dabei ist ein in einer Steuerdruckkammer angeordneter Elektromagnet vorgesehen, welcher ein zylindrisches Steuerelement bewegt, um Druckeinlaß- und Auslaßöffnungen im Gehäuse gegenüber der Steuerdruckkammer zu öffnen und zu schließen und den Druck in dieser Kammer zu verändern. Das Steuerelement ist mit dem Betätigungskolben über eine Zugfeder verbunden, welche das Steuerelement in seine Ausgangsstellung zieht, um den Druckausgleich wieder herzustellen. Geräte dieser Art haben sich in der Praxis aus verschiedenen Gründen nicht einführen können, insbesondere weil die elektrische Spule in dem Betriebsmedium liegt und ihre Isolierung daher durch das hydraulische Medium angegriffen wird, wobei zugleich noch ein Auswechseln der Spule schwierig durchzuführen ist. Außerdem arbeiten diese Geräte nur mit einer Federrückstellung, wobei die Feder eine sehr niedrige Federkonstante haben muß. Für Hochdruckbedingungen, bei welchen große Kräfte entwickelt werden, müssen große Federn verwendet werden. Außerdem ergibt sich auch hier aufgrund der Reibung zwischen dem Steuerelement und dem Gehäuse ein erhebliches Hystereseproblem.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, die vorgenannten Nachteile und Schwierigkeiten der bekannten Vorrichtungen zumindest teilweise, vorzugsweise insgesamt zu beheben, indem eine Druckmittelvorrichtung insbesondere eine Druckmittelbetätigungsvorrichtung, ein Servomotor oder ein sonstiger Kraftbetätiger od.dgl. geschaffen wird, mit der sich auch über eine Fernsteuerung unter Verwendung elektrischer Leitungen und eines analogen elektrischen Signals anstelle zeitgesteuerter Impulse eine genaue Steuerung erreichen läßt, wobei mit im Vergleich zu den wirklichen Stellkräften niedrigen elektrischen Leistungen gearbeitet werden kann. Ferner soll die vorgenannte Druckmittelvorrichtung eine geringe Hysteresis aufweisen und demzufolge in Abhängigkeit von einem vorbestimmten elektrischen Signal oder einer anderen äußeren Steuerkraft sehr genau gesteuert werden können. Mit der Erfindung lassen sich somit Stellmotoren, Durchflußregelventile, Druckventile oder Schalt- und Wegeventile genau steuern, wobei die erfindungsgemäßen Druckmittelvorrichtungen auch zur Steuerung von Pumpen und/oder Motoren, insbesondere zur Geschwindigkeitssteuerung und/oder Drehrichtungasteuerung verwendbar sind. Die erfindungsgemäßen Druckmittelvorrichtungen sind nicht nur zur Fernsteuerung verwendbar, sondern können auch in Baueinheit mit einem gesteuerten Teil, z.B. einem ferngesteuerten Ventil eingesetzt werden, bei dem der Arbeitsdruck von dem durch das Ventil geschalteten Betriebsmedium aufgebracht wird.
Nach Vorstehendem ist die Erfindung demgemäß auf eine magnetisch gesteuerte Druckmittelvorrichtung, insbesondere einen Stellmotor, ein Servoventil u.dgl., gerichtet, mit einem Gehäuse, welches ein Stellgliedgehäuseteil mit einer Hochdruckkammer und ein Steuergehäuseteil mit einer Steuerdruckkammer umfaBt, mit einem in dem Stellgliedgehäuseteil beweglichen, von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagten Stellglied ododgl., mit gesonderten Ein- und AuslaBkanälen für die Hochdruck- und Niederdruckverbindung der Steuerdruckkammer, und mit einem vollständig in der Steuerdruckkammer liegenden Steuerelement, welches zumindest relativ zu dem einen Kanal beweglich ist, um die Verbindung des einen Kanals mit der Steuerdruckkammer gegenüber der Verbindvng des anderen Kanals mit dieser Steuerdruckkammer zu schließen oder zu öffnen. Erfindungsgemäß ist die Druckmittelvorrlchtung durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

a) mindestens einer der genannten Kanäle ist mit dem Stellglied beweglich;
b) das Steuerelement besteht aus einem solchen Werkstoff, daß es unter der Wirkung eines Magnetfeldes in der Steuerdruckkammer in vorbestimmte Steuerpositionen einstellbar ist;
c) eine steuerbare Magnetvorrichtung zur Verstellung des Steuerelementes in der Steuerdruckkammer.

Die Magnetvorrichtung ist normalerweise an der Außenseite des Gehäuses angeordnet und/oder in das Gehäuse einbezogen. Es kann aus einem Permanentmagneten, einem von Wechselstrom und/oder Gleichstrom erregten Elektromagneten oder mehrphasigen Wechselstrom-Elektromagneten bestehen. Bei Verwendung mindestens eines Permanentmagneten muß dieser an der Gehäuseaußenseite relativ zu dem Gehäuse beweglich angeordnet sein, wobei das Gehäuseteil aus einem unmagnetischem bzw. einem nicht-magnetisierbaren Werkstoff bestehen muß, um das Magnetfeld durchtreten zu lassen. Auch das Steuerelement besteht im allgemeinen aus einem Permanentmagneten.
Es empfiehlt sich, die Anordnung so zu treffen, daß das Steuerelement von einer Federvorrichtung in eine vorgegebene Position eingestellt wird, derart, daß sich das Steuerelement gegen die Federvorspannung bewegen muß. Dabei lassen sich exakte Stellwege erzielen, die unmittelbar proportional der Stärke oder der Lage des Magnetfeldes sind, welches von einem analogen elektrischen Signal erzeugt wird.
Das Steuerelement befindet sich vollständig im Inneren der Steuerdruckkammer und ist daher durch die an seinen beiden Enden wirkenden Druckmittelkräfte druckausgeglichen. Es ist demgemäß schwimmend angeordnet. Es wird aus einem solchen Werkstoff gefertigt, daß es sich unter der Wirkung eines Magnetfeldes gegenüber dem Stellglied oder Stellkolben verstellen läßt, wobei das Magnetfeld entweder an der Außenseite oder im Inneren der Kammer erzeugt wird. Das Steuerelement ist somit auf magnetischem Wege verstellbar, ohne daß zugleich mit ihm mechanisch verbundene Teile, welche Dichtungen an der Seite des Gehäuses durchgreifen, bewegt werden müssen.
Zumindest ein Teil des genannten Stellgliedes hat zweckmäßig die Form eines zylindrischen Kolbens, der in Dichtanlage mit der Wandung der ihn aufnehmenden Kammer gleitet, wobei eine der Kolbenflächen eine die Steuerdruckkammer begrenzende Fläche bildet. An diesem Ende ist zweckmäßig ein stangenartiges Steuerkanalelement, d.h. eine mit mindestens einem Druckmittelkanal und einer Druckmittelöffnung versehenes Element angeordnet, welches axial in die Steuerdruckkammer hineinragt. Dieses Steuerkanalelement weist mindestens einen axialen Innenkanal mit einer radial in die Steuerdruckkammer mündenden Einlaß- und/oder Auslaßöffnung auf, deren Öffnungsquerschnitt von dem Steuerelement gesteuert wird. Das Steuerkanalelement bewegt sich mit dem Stellkolben in Abhängigkeit zu der von außen wirkenden veränderlichen Steuerkraft, wobei es gegenüber dem Steuerelement teilweise abgedichtet ist, um die Drosselsteuerung zu bewirken.
Das vorgenannte Steuerkanalelement kann einstückig mit dem Stellglied bzw. dem Stellkolben verbunden sein. Vorzugsweise ist es so an dem Stellglied bzw. dem Stellkolben angeordnet, daß es sich gegenüber diesem geringfügig in Radialrichtung bewegen kann, um Biege- und Reibungskräfte möglichst kleinzuhalten. Im übrigen wird das Bewegungsspiel in allen Fällen möglichst kleingehalten. Die Einhaltung kleiner Toleranzen und/oder die exakte Ausfluchtung der gegeneinander gleitenden Flächen ist wichtig. Die Befestigung des stangenartigen Steuerkanalelementes an dem Stellglied erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß das Steuerkanalelement eine vom Hochdruck beaufschlagte Fläche aufweist, deren Flächengröße halb so groß ist wie eine vom Steuerdruck beaufschlagte Fläche, die in der Gegenrichtung zu der erstgenannten Fläche gerichtet ist. Auf diese Weise ergibt sich ein Druckausgleich an dem Steuerkanalelement.
Um einen radialen Druckausgleich an dem erfindungsgemäßen Steuerelement zu erreichen, empfiehlt es sich, die vorgenannten Öffnungen an der Seitenfläche des Steuerkanalelementes als umlaufende Nuten auszubilden und für das Steuerelement eine Hülse od.dgl. zu verwenden, welche das Steuerkanalelement umschließt, wobei sie mit ihrer Innenfläche zumindest teilweise in Dichtung mit der Außenfläche des Steuerkanalelements steht. Das Ende der Hülse kann offen sein oder eine Öffnung des Steuerkanalelements drosseln. Andererseits kann die Hülse an ihrer Innenfläche eine Nut erhalten, die in Verbindung mit der Hülsen-Außenfläche steht, um eine der Öffnungen des Steuerkanalelementes gegenüber seiner anderen Öffnung zu öffnen oder mehr oder weniger zu drosseln, wobei der gedrosselte Druck in der Nut der Hülse in die Steuerdruckkammer übertragen wird.
Die vorstehend beschriebene Kombination des hülsenförmigen Steuerelementes und des Steuerkanalelementes, welches von dem hülsenförmigen Steuerelement umschlossen wird, ist für einen Servomechanismus besonders vorteilhaft und ist unabhängig von der Vorrichtung, mit der das Steuerelement in der Steuerdruckkammer verstellt wird, erfinderisch. Es wäre daher auch möglich, zur Einstellung der Position der Steuerhülse herkömmliche Vorrichtungen, z.B. sich zur Außenseite des Gehäuses erstreckende Mittel vorzusehen, beispielsweise eine Zug- und/oder Schubstange, ein Zugglied, eine Zahnstange mit Ritzel oder eine Schraubverbindung zwischen der Steuerhülse und dem Gehäuse der Steuerdruckkammer, derart, daß das die Steuerhülse aufnehmende Gehäuseteil gegenüber dem das Stellglied aufnehmenden Gehäuseteil drehbar ist.
Mit der Erfindung läßt sich daher ein Druckmittelservomechanismus schaffen, bei welchem das Steuerelement aus einer Hülse besteht, die eine mit mindestens einer Druckmittelöffnung versehene Stange od.dgl. umschließt und die somit anstelle einer genuteten Spindel herkömmlicher Art verwendet wird, die unter Abdichtung gegenüber dem Stellglied oder Gehäuse bewegt werden muß. Die Hülse läßt sich bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung durch irgendeine Stellvorrichtung, vorzugsweise durch eine magnetische Einstellvorrichtung, oder auch über eine äußere mechanische Zwischenverbindung verstellen.
Das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Steuerkanalelement weist zweckmäßig einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser im Verhältnis zum Durchmesser des mit ihm verbundenen Stellgliedes oder Kolbens auf. Beispielsweise beträgt der Durchmesser 6,35 mm. Bei gleichem Spiel zwischen Hülse und Steuerkanalelement wird hierbei die Nullpunkt-Leckage auf ein Maß vermindert, welches erheblich kleiner ist als bei den herkömmlichen Servomotoren, die eine Spindel oder ein Zylindersteuerelement verwenden, bei denen der Durchmesser der Öffnung beträchtlich größer sein muß, so daß bei einem gegebenen Spiel ein erheblich größerer Leckagequerschnitt vorhanden ist.
Im Betrieb bewegt das Stellglied seinen Kanal oder seine Öffnung relativ zu dem in eine bestimmte Einstellposition gebrachten Steuerelement, derart, daß die Drücke in der Steuerdruckkammer eine Kraft auf das Stellglied ausüben, die genau gleich den anderen an ihm wirkenden Kräften, einschließlich den äußeren Kräften, ist. Falls sich diese anderen, z.B. die äußeren Kräfte ändern, bewegt sich das Stellglied mit seinem Kanal relativ zu dem Steuerelement, wodurch die beiden Verbindungskanäle relativ zueinander geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Drücke in der Steuerdruckkammer ändern sich demgemäß automatisch, um Änderungen der von außen wirkenden Kräfte zu kompensieren. Da die Druckänderung zwischen der Steuerdruckkammer und dem von dem Steuerelement beeinflußten Kanal bei extrem kleinen Relativbewegungen in weiten Grenzen variieren kann, ergibt sich im Ergebnis, daß große Schwankungen der an dem Stellglied wirkenden äußeren Kräfte große Schwankungen des Drucks in der Steuerdruckkammer bei extrem kleinen Relativbewegungen der beiden Teile bewirken. Wird das Steuerelement innerhalb der Steuerdruckkammer in eine andere Position gebracht, so folgt das Stellglied diesem Verstellvorgang unverzüglich unter Herstellung des Kraftgleichgewichtes zwischen den äußeren Kräften und den von den Kammerdrücken ausgeübten Kräften. Das Stellglied folgt also exakt den Steuerbewegungen des Steuerelementes innerhalb des Gehäuses.
Nach der Erfindung können das Steuerelement und der oder die Kanäle so angeordnet werden, daß sich bei den Relativbewegungen folgende Situationen ergeben: Der eine Kanal wird geöffnet oder geschlossen unabhängig von dem anderen Kanal; der Auslaßkanal wird gegenüber dem Einlaußkanal gedrosselt, wobei das Steuerelement den EinlaBkanal lediglich öffnet oder verschließt; das Steuerelement öffnet einen Kanal,während es den anderen schließt. Bei der letztgenannten Situation kann sich das Stellglied in beiden Richtungen schnellstmöglich verstellen. Bei den beiden erstgenannten Situationen bewegt sich das Stellglied in der einen Hubrichtung schneller als in der anderen Hubrichtung.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung öffnet die von dem Steuerelement gesteuerte Öffnung des betreffenden Kanals (oder auch die Öffnungen der Kanäle) in einer Richtung senkrecht zu der Bewegungslinie des Steuerelements, so daß sich dieses stets in einem druckausgeglichenen Zustand nicht nur in den Richtungen parallel zu seiner Bewegungslinie, sondern auch in den Richtungen senkrecht hierzu befindet. Dies wird dadurch erreicht, daß die gesteuerte Öffnung (oder Öffnungen) in mindestens zwei entgegengesetzte Richtungen senkrecht zur Bewegungslinie des Steuerelementes öffnen. Mit Ausnahme der Schwerkraft, der Reibung und/oder der Federkraft ist daher das Steuerelement innerhalb der Steuerdruckkammer in einem schwimmenden Zustand, so daß es sich mit Hilfe der von außen gesteuerten Einstellvorrichtung mit geringstmoglicher Reibung bewegen läßt.
Die Bewegung des Stellgliedes bzw. des Stellkolbens kann dazu ausgenutzt werden, um eine mechanische Kraft auf irgend ein Objekt auszuüben oder um ein Ventil zu steuern, einen Schalter zu betätigen oder sonstige Druckmittelvorrichtungen, z.B. eine Pumpe oder einen Motor zu steuern. Außerdem läßt sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Federvorspannung irgendeiner mechanischen Vorrichtung, insbesondere eines Überdruckventils, einstellen.
Nach einer weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung wird auf den Kolben eine ihn in Richtung auf die Steuerdruckkammer bewegende Vorspannkraft ausgeübt, was sich durch Verwendung eines Differntialkolbens od.dgl. erreichen läßt, dessen der Steuerdruckkammer abgewandten Kolbenflächen eine dem Niederdruck ausgesetzte Kolbenfläche und eine vom Hochdruck beaufschlagte Kolbenfläche sind, wobei die letztgenannte Fläche, vorzugsweise um die Hälfte kleiner ist als die von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagte Kolbenfläche. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß der Kolben in Abhängigkeit von den auf den beiden gegenüberliegenden Kolbenseiten wirkenden Differenzdrücken in der einen oder anderen Richtung bewegt wird. Da verschwindend geringe Änderungen in der Drosselung der Verbindungskanäle große Änderungen des Druckgefälles über der Drosselstelle bewirken, ist eine äußerst genaue Lageeinstellung des Kolbens gegenüber dem Steuerelement möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Auslaßkanal gegenüber dem Einlaßkanal ständig gedrosselt sein um ein Verhältnis über 1000:1. Das von dem Steuerelement gebildete Drosselventil drosselt hierbei die Auslaßöffnung des Einlaßkanals, derart, daß der Kolben die Auslaßöffnung relativ zu dem Steuerelement bewegt und der Strom durch die Drosselstelle den Strom durch den gedrosselten Auslaßkanal genau teilt.
Der genannte gedrosselte Auslaßkanal besteht vorzugsweise aus mehreren Umfangsnuten in der zylindrischen Außenfläche des Kolbens und einer einzigen die Umfangsnuten schneidenden Längsnut, die sich von der Steuerdruckfläche zu der Niederdruckfläche erstreckt und eine Mehrzahl scharfkantiger Drosselkanten zwischen der Steuerdruckkammer und der Niederdruckseite bildet. Der Druckabfall über jede einzelne Drosselkante bzw. Drosselstelle ist im wesentlichen von der Viskosität unbeeinflußt und der gedrosselte Strom ist proportional der Quadratwurzel der Druckdifferenz. Bei Verwendung solcher mehrfacher Drosselstellen kann die Längsnut für dieselbe Druokmittelmenge größer ausgeführt werden, so daß die Gefahr eines Zusetzens durch von dem Druckmedium mitgeführte Schmutzpartikel entsprechend geringer ist.
Das Gehäuse der Steuerdruckkammer umfaßt vorzugsweise zwei (oder mehr) im Abstand angeordnete Gehäuseteile magnetischem, d.h. magnetisch wirksamen Werkstoff und mindestens einen Zwischenteil aus unmagnetischem, d.h. magnetisch unwirksamen Material, wobei die magnetischen bzw. die magnetisierbaren Gehäuseteile die Magnetpole mindestens einer elektrischen Magnetspule bzw. eines oder mehrerer Solenoide bilden, welche das unmagnetische Gehäuseteil umschließt bzw. umschließen. Eine Hülse aus einem Magnetmaterial umschließt die Spule (Spulen) und liegt in Anlage an den im Abstand zueinander angeordneten Gehäuseteilen, um einen, bis auf das oder die Zwischenteile, geschlossenen magnetischen Kraftflußweg zu erzielen, der teilweim über das magnetische bzw. magnetisch wirksame Steuerelement im Inneren der Steuerdruckkammer geschlossen wird. Falls lediglich eine Magnetspule vorgesehen wird, ist die magnetische Polarität dieser Spule ohne Bedeutung. Bei Verwendung von zwei Magnetspulen werden die elektrischen Anschlüsse dieser Spulen so hergestellt, daß die benachbarten Enden der beiden Spulen dieselbe magnetische Polarität aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Einlaß zu dem zu der Steuerdruckkammer führenden Einlaßkanal in Nähe der Basis eines vorzugsweise etwa topfförmigen Teils aus magnetisiertem Werkstoff angeordnet ist. Das in den Einlaß fließende Druckmedium strömt hierbei über einen gekrümmten Strömungsweg an diesem Bauteil vorbei, wobei sich in dem Druckmedium befindliche Magnetteilchen auf magnetischem Wege entfernen und zur Ablagerung an dem topfförmigen Bauteil bringen lassen. Auf diese Weise wird der Eintritt solcher Schmutzteilchen in die Steuerdruckkammer verhindert. Die Kanten des topfförmigen Bauteils bilden vorzugsweise einen Ventilsitz. Die Anordnung wird hierbei zweckmäßig so getroffen, daß das Druckmedium beim Eintritt in Nähe des Ventilsitzes strömt und damit die magnetisch entfernten Teilchen in Nähe des Ventilsitzes zur Ablagerung kommen, wo sie beim Öffnen des Ventils ausgespült werden.
Das Steuerelement besteht, wie erwähnt, vorzugsweise aus einer Hülse, die von einer Feder, zweckmäßig einer Schraubenfeder belastet ist. Hierbei wird die Anordnung vorteilhafterweise so getroffen, daß das Steuerelement durch die Federkraft in eine Ausgangsposition in Nähe eines magnetisch wirksamen Teils gebracht wird, wenn die Spule nicht erregt ist. Durch Erregen der Magnetspule kann dann das Steuerelement gegen die Federrückstellkraft an einem magne-tisch unwirksamen Teil vorbei in Richtung auf ein anderes magnetisches Teil bewegt werden. Mindestens das eine der beiden Enden der Hülse ist vorzugsweise konisch verjüngend ausgebildet, um bei Annäherung des Steuerelementes an den anderen magnetischen Teil den Mindest-Magnet-Luftspalt zu begrenzen und um eine im wesentlichen konstante Kraft-Wegkurve an der Hülse bei einem vorgegebenen Erregerstrom der Magnetspule über den gesamten Verstellbereich des Steuerelements zu erhalten. Da die Schraubenfelder eine ansteigende Kraft-Wegkurve hat, schneiden sich die beiden Kurven in einem definierten Punkt, in welchem die wirkliche Verstellung der Hülse gegen die Federrückstellkraft in unmittelbarer Beziehung zu dem sich ändernden Erregerstrom steht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Steuerelement einen Außendurchmesser auf, um einen vorbestimmten Mindestspalt mit den magnetisch wirksamen Wandungen der Steuerdruckkammer zu erzielen. Die Außenfläche des Steuerelementes ist hierbei mit einer Umhüllung oder Beschichtung aus einem magnetisch unwirksamen Material versehen, deren Dicke mindestens der doppelten Größe des vorgenannten Mindestspaltes entspricht, so daß selbst dann, wenn exzentrische Magnetkräfte das Steuerelement geringfügig radial einstellen, das Verhältnis des maximalen magnetischen Luftspaltes zu dem minimalen Luftspalt zwischen der äußeren Magnetfläche des Steuerelementes normalerweise kleiner als 2:1 ist.
Es ist bekannt, daß, wenn der magnetische Luftspalt sich Null nähert, die magnetischen Anziehungskräfte asymptotisch auf ein Maximum ansteigen. Durch Aufrechterhaltung des Verhältnisses des Luftspaltes oberhalb 2:1 wird der nachteilige Effekt des Null-Luftspaltes begrenzt. Die Wandungen der Steuerdruckkammer können daher zur Führung des Steuerelementes dienen, ohne daß sie übermäßig große Seitenkräfte auf dieses ausüben und ein Kleben des Steuerelementes mit statischer Reibung, die stets größer ist als die Reibung der Bewegung verursachen. Für die AußenbeSchichtung des Steuerelementes wird vorzugsweise ein verschleißfestes Kunststoffmaterial mit selbstschnierender Wirkung, insbesondere Teflon (Warenzeichen der Fa. DuPont) oder ein ähnliches Material verwendet.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem hydraulischen Durchfluß- bzw. Druckregelventil weist der Kolben an seinem der Steuerdruckkammer abgewandten Ende vorzugsweise eine sich konisch verjüngende Ventilsitzanlagefläche auf, an welcher der Hochdruck im Querschnittsbereich des Ventilsitzes wirkt. Eine aus einer Vielzahl elektrischer Drahtwindungen bestehende Magnetspule wird zur Verstellung des Steuerelementes in Positionen verwandet, in denen das Ventil um ein bestimmtes Maß aufgesteuert ist. In Verbindung hiermit werden zweckmäßig Maßnahmen getroffen, um die Magnetspule im wesentlichen auf derselben Temperatur zu halten wie das hydraulische Druckmedium. Auf diese Weise wird ein , Regelventil mit Temperaturausgleich erzielt. Die vorgenannten Maßnahmen bestehen vorzugsweise aus einer die Magnetspule umschließenden Wärmeisolierung oder einem Luftspalt um die Magnetspule herum als Isoliermaatel, Das bei einer bestimmten Öffnungsstellung durch das Ventil strömende Volumen an Druckmedium steigt mit zunehmender Temperatur des Druckmediums und entsprechend abnehmender Viskosität derselben an. Gleichzeitig sinkt aber bei einer vorgegebenen, unveränderlichen Erregerspannung an der Magnetspule deren Widerstand und damit auch der sie druchflieBende Strom mit ansteigender Temperatur, so daß das Steuerelement einen kleineren Stellweg ausführt und entsprechend das Ventil unter Aufrechterhaltung der Durchströmmenge um ein kleineres Maß geöffnet wird. Durch entsprechende Anpassung des Widerstands der Magnetspule an die Außentemperaturen oder durch Verwendung eines Werkstoffs für den Spulendraht, der einen geeigneten Temparatur-Widerstandskoeffizienten aufweist, ist demgemäß ein nahezu vollständiger Temperaturausgleich insbesondere bei solchen Ventilen erreichbar, die mit kleinen Durchflußöffnungen versehen sind, wo das Problem der Mengen-Temperaturschwankungen besonders ausgeprägt ist.
Die vorstehend genannte konische Nase des Ventilkörpers des Durchflußregelventils ist zweckmäßig konkav ausgeformt, um eine fallende Kurve in der Abhängigkeit des Ventilöff- nungs^querschnitts zu dem Öffnungshub des Schließgliedes zu erhalten. Das Maß der Konkavität ist so auf die bekannten Leckverluste eines geschweißten Druckmittelmotors abgestimmt, daß diese kompensiert werden. Diese Leckverluste beeinflussen die Arbeitsweise des Druckmittelmotors in besonderen Maße, wenn mit geringen Flüssigkeitsmengen und niedrigen Drehgeschwindigkeiten. gearbeitet wird. Die exakte Bemessung der konkaven Fläche muß daher in Verhältnis zu der Leckeigenschaft des Motors gebracht werden.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Entiasbmgs- oder Überdruckventil wird zweckmäßig ein Ventilkolben vorgesehen, dessen Ventilsitzanlagefläche über die Fläche des Ventilsitzes vom Hochdruck beaufschlagt wird und der mit veränderlicher Schließkraft in Schließstellvng gehalten wird. Hierbei kann eine Druckfeder zwischen dem Ventilkolben und dem vom Steuerdruck in der Steuerdruckkammer beaufschlagten Kolben vorgesehen werden, deren Federkraft durch Verstellen des Federwiderlagers genau steuerbar ist. Dies erfolgt mit Hilfe des vorgenannten Steuerelementes.
Der Ventilkolben des Überdruckventils weist zweckmäßig einen Schaft auf, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Ventilsitzes und der dichtend in einem Zylinderraum des vom Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagten Steuerkolbens geführt ist. Die Reibung der Dichtung, die durch den Hochdruck in Richtung auf den Ventilsitz belastet wird, wird auf diese Weise vermindert, wenn der Ventilkolben schließt, wodurch die Bysterese-Kurve des Ventils entsprechend vermindert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Gestalt eines Schieberventils ist das Stellglied mit dem einen Ende eines Schiebers gekoppelt, der an seinem anderen Ende einen vom Einlaßdruck beaufschlagten Kolben und einen Innenkanal aufweist, welcher den hohen Einlaßdruck einer Kolben-Druckkammer und der Steuerdruckkammer des Stellgliedes zuführt. Bei einer solchen änordnung läßt sich der Ventilschieber leicht von seiner Neutral- oder Mittelstellung in irgendeine andere Schaltposition bringen, ohne daß ein das Schiebergehäuse seitlich durchgreifendes mechanisches Teil benötigt wird, sei es mit oder ohne Druckdichtungen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilanlagefläche des Überdruckventils gekrümmt oder gewölbt, während der Ventilsitz konisch ausgeführt ist, so daß beim Abheben des Ventilschließgliedes von dem Ventilsitz sich ein gleichmäßiger und ungestörter Fluß des Druckmediums ergibt.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den einzelnen Patentansprüchen aufgeführt und werden weiter unten im Zusammenhang mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen hinsichtlich ihrer Funktion und Vorteile näher erläutert.
Mit der Erfindung wird insgesamt eine für vielfältige Zwecke verwendbare Druckmittelvorrichtung geschaffen, welche sich in einfacher Weise mittels eines leistungsschwachen analogen elektrischen Signals steuern läßt und bei der kein beweglicher Teil, ggfls. mit Ausnahme des Betätigungsschaftes od.dgl., nach außen aus dem Gehäuse herausragt. Die gesamte Druckmittelvorrichtung zeichnet sich durch einfache Bauweise aus und ermöglicht eine lineare Stellbewegung des Stellgliedes oder Stellkolbens in Abhängigkeit von einem analogen elektrischen Steuersignal. Dabei kann mit hoher Leistungsverstärkung, d_oh_o mit hohem Verhältnis von Stellkraft zu elektrischer Steuerkraft gearbeitet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine äußerst präzise Positionseinstellung des Stellgliedes. Die Steuerung mit Hilfe eines analogen elektrischen Steuersignals läßt sich bei äußerst geringer Hysterese durchführen. Mit der Erfindung läßt sich ein Servomotor od.dgl. schaffen, bei welchem bei gleichem Spiel zwischen seinem Steuerelement und den zugeordneten Teilen eine verminderte Null-Leckage gegeben ist. Zugleich läßt sich das Steuerkanalelement so mit den Stellkolben verbinden, daß auch bei sehr geringem Spiel kein Fressen der beweglichen Teile in dem Gehäuse eintreten kann. Mit der Erfindung läßt sich ferner ein/elektrisch gesteuertes Durchflußregelventil od.dgl. schaffen, welches die Möglichkeit bietet, mit geringen elektrischen Leistungen große und veränderliche Druckmittelströme zu steuern. Außerdem läßt sich eine hohe Ansprechempfindlichkeit des Gerätes erreichen. Ferner besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszugestalten, daß von dem Druckmedium mitgeführte magnetische Schmutzteilchen aus dem Druckmedium herausgeholt werden, bevor sie in die Steuerdruckkammer gelangen können. Das Steuerkanalelement läßt sich erfindungsgemäß so an dem Stellglied bzw. Stellkolben anordnen, daß es sich in druckausgegliohenem Zustand befindet und gegenüber dem Kolben radial beweglich ist. Das vollständig in der Druckkammer liegende Steuerelement ist ebenfalls druckausgeglichen und läßt sich mit kleinstmöglicher Kraft, sei es einer magnetischen Steuerkraft oder einer anderen Stellkraft, verstellen. Die erfindungsgemäße Druckmittelvorrichtung bzw. der erfindungsgemäße Servomotor läßt sich mit vergleichsweise kleinen Bauabmessungen wirtschaftlich herstellen. Der Servomotor kann z.B. zur Steuerung oder Betätigung von Ventilen, Motoren oder Pumpen u.dgl. Verwendung finden. Die elektrische Fernsteuerung des Servomotors od.dgl. läßt sich durch Federbelastung des Steuerelementes im Sinne seiner Einstellung in die Neutralposition so gestalten, daß das Gefühl bei der Handbetätigung der elektrischen Steuerung ähnlich dem Schaltgefühl herkömmlicher Steuerungen ist.
Weiterhin ist die Erfindung darauf gerichtet, einen im Inneren einer Magnetspule befindlichen Plungerkolben so auszubilden und anzuordnen, daß die nicht ausgeglichenen radialen Magnetkräfte weitgehend unterdrückt und auf diese Weise eine übermäßige Reibung an der Außenfläche des Plungerkolbens vermieden wird. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, bei Steuer- und DurchfluBregelventilen u.dgl. den Ventilsitz und die Ventilsitzanlagefläche so auszugestalten und anzuordnen, daß ein gleichäßiger Druckmittelstrom beim Öffnen des Ventils erhalten wird. Ferner ist die Erfindung auf ein verbessertes elektrisch gesteuertes DurchfluBregelventil gerichtet bei welchem die sich bei Temfperaturanstieg vermindernde Viskosität des Betriebsmediums automatisch kompensiert wird.
Mit der Erfindung läßt sich ferner ein Leistungsverstärker für Schalt-, Steuer- und Stellvorgänge beliebiger Art schaffen, der mit niedrigen elektrischen Leistungen, z.B. von 10 Watt und häufig weniger als 5 Watt arbeiten kann.
Alle vorgenannten Vorteile sowie die weiter unten noch näher erläuterten Vorteile sind für sich oder in Kombination Gegenstand der Erfindung und der ihr zugrundeliegenden Aufgabe.
Im folgenden werden Definitionen der wichtigsten, in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Begriffe gegeben:
Unter "Hochdruck" ist jeder Druckmitteldruck zu verstehen, der über dem Atmosphärendruck liegt und der z.B. bis zu 210 bar und darüber reichen kann.
Mit "Niederdruck" ist ein Druck unterhalb des Hochdrucks bis zum Atmosphärendruck zu verstehen, der z.B. in einer von der erfindungsgemäßen Druckmittelvorrichtung zu einem Rücklauf oder einem Sumpf oder zu einer druckmittelbetätigten Einrichtung führenden Leitung vorhanden ist.
"Steuerkammerdruck" bezeichnet jeden Druck zwischen Hochdruck und Niederdruck, wie er in der Steuerdruckkammer wirkt und den eigentlichen Arbeitskolben belastet, um die mechanische Arbeit zu leisten.
Die Bezeichnung "verhältnismäßig ungedrosselter Kanal" bezeichnet einen Kanal od.dgl. mit einem Durchflußquerschnitt, der von dem Druckmedium frei durchflossen werden kann, z.B. bei einem Differenzdruck von 140,6 Kg/cm² bei einer Durchflußmenge von mindestens 3,8 l/min.
Der Ausdruck "relativ gedrosselter Kanal" bezeichnet einen Leitungsquerschnitt oder eine Drossel oder Drosselkombination in einem ungedrosselten Kanal, wodurch der freie Druckmitteldnrchfluß gedrosselt wird. Normalerweise wird die Drosselung so eingestellt, daß bei einem Druckgefälle von 140,6 Kg/cm² die Durchflußmenge zwischen 4,1 und 819 cm³/min oder auch darüber liegt.
Das Maß der Drosselung des Druckmittelstromes in einem Drosselkanal bestimmt die Rücksiellgeschwindigkeit des Kolbens in eine Rüokstellposition und kann innerhalb weiter Grenzen variieren, solange es größer ist als die unvermeidbare Drosselwirkung in einem im wesentlichen ungedrosselten Kanal, wenn sich das Steuer element in einer Position befindet, in der die Auslaßöffnung zu der Steuerdruckkammer voll geöffnet ist. Im Betrieb drosselt das Steuerelement die Auslaßöffnung des einen Kanals zu dem anderen Kanal hin und bewirkt dadurch einen solchen Druck in der Steuerdruckkammer, daß die Durchflußmenge durch die Steuerdruckkammer genau den Durchflußmengen in den beiden Kanälen entspricht. Da sich das Steuerelement gegenüber dem einen Kanal verstellt, wenn sich der Kolben in dem Gehäuse bewegt, und da das Steuerelement innerhalb der Kammer in feste Positionen gebracht werden kann, ergibt sich, daß der Kolben sich stets relativ zu der Position des Steuerelementes verstellt, wobei die vorgenannten Durchflußbedingungen vorliegen.
Wenn die Auslaßdrossel und das Steuerelement scharfe, z.B. rechtwinklige Drosselkanten aufweisen, so liegt lediglich eine exakte Drosselposition vor, bei der die Durchflußmengen genau gleich sind. Infolgedessen folgt der Kolben und die mit ihm verbundene Auslaßoffnung genau der Bewegung des Steuerelementes, welches sich in vollständig druckausgeglichenem Zustand befindet, soweit es die Radial- und Axialkräfte an ihm betrifft, und bei dessen Einstellposition sich die Magnetkräfte und die Federkräfte ausgleichen. Eine verminderte Ansprechempfindlichkeit kann sich durch Abrunden der Steuerkanten oder Abschrägen der Dichtflächen in Nähe der Steuerkanten ergeben.
Unter der Bezeichnung "magnetisch durchlässiges (wirksames) Material" ist ein Werkstoff zu verstehen, der eine magnetische Permeabilität größer als Luft, d.h. größer als 1 aufweist. Diese Werkstoffe sind üblicherweise Legierungen des Eisens, z.B. des Stahls, und einige der rostfreien Stähle; sie können eine Permeabilität von 150 bis 20.000 oder darüber aufweisen. Diese Werkstoffe werden durch ein Magnetfeld angezogen.
Die Bezeichnung "magnetisch nicht-durchlässiges (unwirksames) Material" bezeichnet einen Werkstoff, dessen magnetische Permeabilität derjenigen der Luft entspricht. Hierunter fallen einige der bekannten rostfreien Stähle, Aluminium, Kupfer, Kunststoffe, hydraulische Flüssigkeiten u.dgl. Solche Stoffe werden durch einen vorhandenen Magnetfluß nicht beeinflußt.
Unter "magnetischer Luftspalt" ist ein Spalt im Magnetkreis zu verstehen, der mit einem magnetisch unwirksamen (nichtdurchlässigen) Material gefüllt ist.
Der Ausdruck "Steuerelement" bezeichnet ein Teil oder eine Gruppe von einander zugeordneten Teilen, die geeignet sind, die Verbindung des einen Anschlußkgngls zu der Steuerdruckkammer relativ zu dem anderen Kanal zu drosseln, d.h. zu öffnen oder zu schließen. Mit Ausnahme kurzzeitiger Vorgänge wird die Verbindung niemals vollständig geschlossen oder geöffnet sein.
"Stellglied" bezeichnet einen Kolben, eine Scheibe, eine Membrane oder andere mechanische Elemente, die in Abhängigkeit von Schwankungen des Drucks in der Steuerdruckkammer ganz oder teilweise beweglich sind.
Unter der Bezeichnung "magnetisch empfindsames Material" ist wahlweise folgendes zu verstehen: ein magnetisch wirksames Material; ein magnetisch unwirksames Material, welches geeignet ist, permanent magnetisiert zu werden, wie z.B. Barium- oder Strontiumferrite u.dgl., die eine magnetische Permeabilität von angenähert 1 haben, jedoch magnetisierbar sind und in diesem Zustand durch ein Magnetfeld angezogen oder abgestoßen werden; ein elektrisch leitendes Teil in Anwesenheit eines sich bewegenden, z.B. mehrphasigen Magnetfeldes. Es ist von Bedeutung, daß das Steuerelement durch ein Magnetfeld zumindest beeinflußbar ist.
Der Ausdruck "vollständig im Inneren der Kammer" bedeutet, daß kein Teil des Steuerelementes oder ein starr hiermit verbundenes Teil durch die Wand der Steuerdruckkammer ragt und somit unterschiedliche endseitige Druckkräfte an dem Steuerelement wirken. Das Steuerelement ist demgemäß allseitig dem Druck in der Steuerdruckkammer ausgesetzt und daher in dem Druckmedium schwimmend.
Der Ausdruck "Druckventile" umfaßt alle Druckmittelventile, bei denen zur Bestimmung eines Druckes eine Kraft verwendet wird. Üblicherweise wird die Kraft von einer Feder aufgebracht. Dieser Ausdruck umfaßt daher Überdruck- und Entlastungsventile, Folgeventile, Druckreduzierventile, Ventile mit Kraft- und Gewichtsausgleich und Totpunkt- und Endlagenventile uodgl. Ein Sonderfall eines solchen Ventils ist ein Mengenteilventil, welches den Mengenstrom steuert durch Abtasten des Druckabfalls über einer Drossel und über eine Vorspannfeder reagiert. Obwohl es den Durchfluß steuert, ist es in Wirklichkeit ein Druckventil.
Der Ausdruck "Schieberventil" oder "Wegeventil" umfaßt Zweiwegeabsperrventile, 2/3-Wegeventile, 2/4-Wegeventile mit Federausgleich und 3/4-Wegeventile. Alle diese Ventile können Meßschieber oder nicht-messende Schieber aufweisen, und sie können so ausgelegt sein, daß in einer bestimmten Einstellposition entweder keine Öffnung oder sämtliche Öffnungen geschlossen oder abgesperrt ist bzw. sind.
Im folgenden werden nur einige typische Ventile beschrieben, die in der erfindungsgemäßen Weise ausgestaltet werden können. Es versteht sich aber, daß die Erfindung sich auch bei Ventilen anderer Ausführungen, insbesondere den vorgenannten Ventilen, allgemein verwenden läßt. Ferner wird die Erfindung nachfolgend im Zusammenhang mit hydraulisch arbeitenden Vorrichtungen erläutert, bei denen als hydraulisches Druckmedium z.B. Öl Verwendung findet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Erfindung bei pneumatischen, z.B, mit Druckluft arbeitenden Vorrichtungen zur Anwendung zu bringen.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt, teilweise in Ansicht, einen magnetisch gesteuerten, einseitig arbeitenden Kraftschalter oder Stellmotor gemäß der Erfindung;
Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teilschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 in größerem Maßstab einen Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2;
Fig. 4 in einem schematischen Schaltdiagramm einen vereinfachten elektrischen Schaltkreis zur Steuerung des Magnetfeldes der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig_o 5 in einem der Fig. 1 entsprechenden Schnitt einen doppeltwirkenden Stell- oder Servomotor od. dgl.;
Fig. 5A in einem schematischen Schaltdiagramm einen elektrischen Stromkreis zur Speisung der beiden Stromspulen des Geräts nach Fig. 5;
Fig. 6 in einer der Fig. 1 entsprechenden Schnittdarstellung ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der Kraftschalter bzw. der Stellmotor ein Schieberventil betätigt;
Fig. 7 ebenfalls im Axialschnitt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kraftschalter bzw. der Stellmotor ein Überdruckventil steuert;
Fig. 7A in größerem Maßstab einen Ausschnitt der Fig. 7 zur Darstellung der Lage der Druckmittelnuten bei nicht vorhandenem Druckmitteldruck (voll ausgezogen) und bei einem Druckmitteldruck (gestrichelt angedeutet);
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Axialschnitt, bei dem die Betätigungsvorrichtung ein Durchflußregelventil steuert;
Fig. 8A eine der Fig. 7A entsprechende TeilschnittDarstellung der Ausführungsform nach Fig. 8;
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Betätigungsvorrichtung nach Art einer Ventilpatrone ausgebildet ist, die sich an einem mit Einlaß- und Auslaßkanälen versehenen Gehäuseteil durch Verschrauben anschließen läßt.

Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte, magnetisch gesteuerte Stell- oder Servomotor weist ein im wesentlichen aus zwei Teilen bestehendes Gehäuse, nämlich ein Kolbengehäuse H und ein Steuerelementgehäuse M, auf. In dem Kolbengehäuse H ist als Stellglied ein Differentialkolben angeordnet, der aus einem druckmittelbeaufschlagten Stellkolben P und einem Hochdruckkolben Q besteht. Der die beiden Kolben P und Q umfassende Differentialkolben ist in dem Gehäuse H verschiebbar geführt und weist einen Ausgangsschaft 0 auf. Mit dem Kolben P ist ein Steuerkanalelement E beweglich. Ein Steuerelement C ist in dem Gehäuse M gegenüber dem Steuerkanalelement E zumindest teilweise abgedichtet verschiebbar gelagert. Das Steuerelement C ist in dem Gehäuse M mit Hilfe eines Solenoiden bzw. einer Magnetspule S, die ein Magnetfeld erzeugt, verstellbar, wobei die Einstellung in bestimmte Einstellpositionen abhängig ist von dem Erregungszustand der Magnetspule S. Das Kolbengehäuse H besteht aus einem Block oder Zylinder aus Metall mit einem zylindrischen Gehäuseraum mit der zylindrischen Innenwand 10 und einer axial mit dem Gehäuseraum fluchtenden Kammer mit kleinerem Durchmesser, die von der zylindrischen Innenwand 11 begrenzt wird. Am Übergang zwischen den koaxialen Räumen ist eine Schulter 12 gebildet, die einen linksseitigen Anschlag für den Kolben P bildet.
Der Hochdruckkolben Q gleitet mit seiner Mantelfläche 13 in Dichtanlage mit der Wand 11 und teilt die Kammer in eine auf seiner rechten Seite liegende Niederdruckkammer 15 und eine auf seiner linken Seite liegende Hochdruckkammer 16. Der Schaft 0 durchfaBt eine Öffnung einer Schraubhülse 17 und ist in der Öffnung mittels einer Dichtung 14 abgedichtet. Die Schraubhülse 17 ist in das linke Ende der Druckkammer 16 eingeschraubt und mittels eines 0-Ringes 18 abgedichtet. Eine Hochdruck-Einlafiöffnung 19, die mit einem Innengewinde 20 für eine hydraulische Anschlußarmatur versehen ist, verbindet die Hochdruckkammer 16 mit der Zuleitung eines hydraulischen Hochdruckmediums.
Der Stellkolben P gleitet mit seiner Umfangsfläche 21 in Dichtanlage an der zylindrischen Wandung 10 des Gehäuses H. Auf der rechten Seite des Kolbens P befindet sich eine Steuerdruckkammer 22. Seine linke Kolbenfläche 23 ist dem Niederdruckraum 15 zugewandt. Der Niederdruckraum 15 ist über eine Auslaßöffnung 24, die ebenfalls mit einem Innengewinde 25 für eine Anschlußarmatur versehen ist, mit einem Rücklauf oder Sumpf od.dgl. verbunden.
Der Stellkolben P, welcher das hydraulische Arbeitsteil bildet, weist an seiner Umfangsfläche 21 mehrere Druckausgleichsnuten 26 auf. Die rechte Kolbenfläche 27 des Stellkolbens P bildet eine Druckfläche, die der Steuerdruckkammer 22 zugewandt ist, während die linke Kolbenseite 23 von dem Druck in dem Niederdruckraum 15 beaufschlagt wird. Die Kolbenfläche 23 weist eine oder mehrere radiale Nuten 29 auf.
Der Hochdruckkolben Q dient zur Vorspannung des Stellkolbens P in Richtung auf die Steuerdruckkammer 22. Er weist in herkömmlicher Weise eine oder mehrere Druckausgleichsnuten 32 an seiner Umfangsfläche 13 auf und ist mit einer vom Hochdruck in der Hochdruckkammer 16 beaufschlagten, ringförmigen Kolbenfläche 33 und einer dem Niederdruckraum 15 zugewandten Kolbenfläche 34 versehen. Der Kolben Q ist entweder einstückig mit dem Stellkolben P ausgebildet oder an diesem befestigt. Gleiches gilt für die Anordnung des Schaftes 0 an dem Kolben Q. Das äußere Ende des Schaftes E kann mit irgendeinem verstellbaren, schaltbaren oder steuerbaren Gegenstand zusammenwirken. Die Querschnittsfläche des Kolbens Q abzüglich der Querschnittsfläche der Stange 0 ist angenähert gleich der halben Querschnittsfläche des Stellkolbens P.
Das Steuerelementgehäuse M besteht im wesentlichen aus einem Paar im Axialabstand zueinander angeordneter, magnetisch wirksamer Teile 40 und 41 und einem zwischen diesen liegenden magnetisch unwirksamen Teil 42, dessen beide Enden in dichtender Anlage an den benachbarten Enden der Teile 50 und 41 liegen. Die dichtende Verbindung kann in unterschiedlicher Weise, z.B. mittels O-Ringen oder, wie dargestellt, dadurch bewerkstelligt werden, daß die Teile 40, 41 und 42 miteinander verfugt und verlötet werden. Die Teile 40, 41 und 42 bilden einen durchgehend zylindrischen Kanal 45 mit einer zylindrischen Wändung 46. Der Kanal 45 bildet eine Verlängerung der Steuerdruckkammer 22 des Steuerelementgehäuses H.
Das Teil 40 ist in das Stellkolbengehäuse H bei 48 eingeschraubt und mittels einer O-Ringdichtung 49 abgedichtet.Die linke Stirnfläche 46 dieses Teils 40 bildet einen rechtsseitigen Anschlag für den Stellkolben P, dessen Kolbenweg sP somit gleich dem Abstand der Anschlagflächen 12 und 46 abzüglich der Axiallänge des Kolbens P ist. Das Teil 40 weist in Nähe seines linken Endes einen Flansch 50 auf, der radial in den Kanal 45 vorspringt und einen linksseitigen Anschlag 51 für das Steuerelement C bildet. Das rechts liegende Ende des Kanals 45 ist von einem topfförmigen Schraubstopfen 60 verschlossen, der in das Teil 41 eingeschraubt und gegenüber diesem durch eine O-Ringdichtung 61 abgedichtet ist. Der Schraubstopfen 60 kann aus einem magnetisch wirksamen oder einem magnetisch unwirksamen Werkstoff bestehen.
Das Gehäuse M und der Teil des Gehäuses H, der auf der rechten Seite der Kolbenfläche 27 des Hoohdruckkolbens P liegt, bilden die Steuerdruckkammer. Das Teil 40 des Gehäuses M weist einen radial nach außen vorspringenden Flansch 52 und das Teil 41 einen magnetsch wirksamen Ring 53 als Gegenflansch im Axialabstand zu dem Flansch 52 auf. Die Magnetspule S liegt zwischen diesen radialen Flanschen 52 und 53. Eine Hülse 55 aus magnetisch wirksamem Material umschließt die Magnetspule S und verbindet die beiden radialen Flansche 52 und 53 unter Überlappung mit diesen. Das Gehäuse M bildet demgemäß um die Magnetspule S herum eine geschlossene magnetische Schleife, mit Ausnahme eines magnetischen Luftspaltes, der von dem magnetisch unwirksamen Zwischenteil 42 gebildet wird. Diese Gehäusegestaltung ist neu und von erfinderischer Eigenart.
Das Steuerkanalelement E besteht aus einer Stange aus magnetisch nicht-wirksamem Werkstoff; es erstreckt sich von der rechten Seite der Kolbenfläche 27 des Stellkolbens P axial nach rechts und ist mit einer zylindrischen Außenfläche 65 versehen. Das Steuerkanalelement E kann einstückig mit dem Kolben P verbunden oder als gesondertes Teil gefertigt und, wie z.B. in Fig. 5 dargestellt, am Kolben angeschlossen sein. Der Außendurchmesser des Steuerkanalelements E beträgt zumindest angenähert 6,35 mm; er ist kleiner als die innere Ringfläche des Flansches 50, so daß das Druckmedium hier einen freien Durchfluß hat, wenn sich der Stellkolben P zusammen mit dem Steuerkanalelement E in dem Gehäuse bewegt.
Die Hochdruckkammer 16 ist mit der Steuerdruckkammer 22 verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verbindung über einen Axialkanal 70 bewirkt, welcher sich von dem rechten Ende des Steuerkanalelements E durch den Stellkolben P und den Kolben Q hindurch erstreckt und über einen Radialkanal 71 mit der Hochdruckkammer 16 in Verbindung steht. Der Kanal 70 kann von dem rechten Ende 72 her in das Steuerkanalelement E gebohrt werden. Er ist hier mittels eines Stopfens 73 verschlossen.
Die Steuerdruckkammer 22 ist außerdem mit der Niederdruckseite verbunden. Dies geschieht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen zweiten Axialkanal 75, der sich von dem rechten Ende des Steuerkanalelementes E durch den Stellkolben P erstreckt und hinter dem Stellkolben über einen Radialkanal 76 mit dem Niederdruckraum 15 verbunden ist. Auch dieser Kanal kann von der rechten Seite her in das Steuerkanalelement E gebohrt und hier mittels eines Stopfens 78 verschlossen werden.
Das Steuerkanalelement E weist an seiner zylindrischen Außenfläche ein Paar im Axialabstand zueinander angeordneter Umfangsnuten 80 und 81 auf (Fig. 3), die durch einen Steg 82 getrennt sind, dessen axiale Länge angenähert gleich dem Hub s des Stellkolbens P ist. Die Nut 80 ist mit dem Hochdruckkanal 70 über einen Radialkanal 84 verbunden, während die Nut 81 über einen Radialkanal 86 an den Niederdruckkanal 75 angeschlossen ist. Die Flanken 80', 80" der Nut 80 schneiden die Außenfläche 65 des Steuerkanalelements E unter einem scharfen Winkel von vorzugsweise 90°, wodurch als Steuerkante ein scharfer Winkel 87 gebildet wird. Die Nut 81 weist ebenfalls radiale Flanken 81' und 81" auf, die mit der Außenfläche 65 scharfe Winkel 88 ausbilden.
Die Steuerdruckkammer 22 ist demgemäß über die im Axialabstand angeordneten, im wesentlichen gleich ausgebildeten Nuten an der Außenfläche 65 des Steuerkanalelementes E und über die genannten axialen Verbindungskanäle mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verbunden. Der Stellkolben und das Steuerkanalelement E sind in Richtung der Achse des Kolbens P beweglich. Die Nuten 80 und 81 bilden Einlaß- und Auslaßöffnungen zu bzw. von der Steuerdruckkammer 22. Sie weisen in eine Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Steuerelementes C. Diese Anordnung des Stellkolbens P und des Steuerkanalelements E ist ebenfalls neu und von erfinderischer Eigenart.
Das Steuerelement C, welches durch die Innenwandung 46 des Gehäuseteils M geführt wird, hat die Aufgabe, den Ausfluß des Druckmediums aus der die Einlaßöffnung bildenden Nut 80 zu drosseln und den Fluß des Druckmediums in die die Auslaßöffnung bildende Nut 81 zu öffnen und umgekehrt. Die Bezeichnung "Auslaßöffnung" und "Einlaßöffnung" bezeichnet hier die Richtung des Druckmittelflusses in bezug auf die Steuerdruckkammer 22.
Das Steuerelement C besteht aus einer Hülse, deren zylindrische Innenwand einen solchen Durchmesser hat, daß ein enger Spalt bzw. ein Spiel f zu der Außenfläche 65 des Steuerkanalelementes E vorhanden ist. An dieser zylindrischen Innenfläche der Hülse ist im wesentlichen in der Hülsenmitte eine Steuernut 90 angeordnet, die über ein Paar diametral einander gegenüberliegender Radialkanäle 91 mit der Außenseite der Hülse verbunden sind. Die Radialkanäle 91 münden in Längsnuten 93 an der Außenseite der Hülse, welche zu den Hülsenenden hinführen. Die Steuernut 90 weist vorzugsweise eine Axialabmessung, d.h. eine Breite auf, die mindestens gleich dem Gesamthub s des Stellkolbens P ist. Bei einem Hub s von z_oB. 15,8 mm sollte die Nutbreite mindestens etwa 19 mm betragen. Die Flanke 90' der Steuernut 90 befindet sich in einem Abstand von dem linken Ende des Steuerelementes C, der mindestens gleich dem maximalen Verstellweg des Steueielementes C nach rechts und mindestens dem maximalen Hub des Kolbens P entspricht. Die beiden Flanken 90' und 90" der Steuernut 90 befinden sich in einem Abstand, der geringfügig, z.B. 0,05 bis 0,1 mm kleiner ist als die Breite des Steges 82. Die Flanken 90' und 90" schneiden die Innenfläche des Steuerelementes C rechtwinklig, d.h. unter Ausbildung scharfer Steuerkanten 94 und 96, die den Steuerkanten 87 und 88 zugewandt sind und mit diesen Drosseln 97 und 98 bilden, deren Drosselquerschnitt sich mit der Stellbewegung des Druckelementes C gegenüber dem Steuerkanalele· ment E verändert.
Das Steuerelement C wird von einer Sohraubenfeder 95 mit einer kleinen Federkraft von z.Bo 0,9 Kg nach links gedrückt, die sich mit ihrem einen Ende gegen die Bodenfläohe des Schraubstopfens 60 und mit ihrem anderen Ende gegen das rechte Ende des Steuerelementes C abstützt. Das linke Ende des hülsenförmigen Steuerelementes C stützt sich gegen einen Ring 99 aus magnetisch unwirksamem Material ab, der seinerseits an der rechten Stirnfläche 51 des Flansches 50 abgestützt ist. Der Ring 99 bildet einen magnetischen Luftspalt zwischen dem Flansch 50 und dem Steuerelement C. Ein oder mehrere Radialnuten 99' in der sich gegen den Flansch legenden Fläche stellen eine Verbindung zwischen den Druckkammern 45 und 22 her.
Die Nuten 80 und 81 sind von dem Stellkolben P in einem solchen Abstand angeordnet, daß der Steg 82 gegenüber der Steuernut 90 ausgerichtet ist, wenn sich das Steuerelement C in seiner dargestellten, linken neutralen Position befindet. Hierbei ist eine kleine Überlappung der Nutkanten und demgemäß ein kleiner Leckstrom des Druckmediums durch den Spalt f von der Hochdruckkammer über den Kanal 70 in die Steuernut 90 und dann über den Kanal 75 zu der Niederdruckkammer 15 hin gegeben. Der Druck in der Nut 90 und in der Steuer druckkammer 22 liegt hier angenähert in der Mitte zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruok. Die Kolben P und Q sind druckausgeglichen.
Das rechte Ende 100 des hülsenförmigen Steuerelementes ist so ausgebildet, daß es sich zum Hülsenende hin konisch verjüngt.
Das Steuerelement C weist zwischen seiner Außenfläche 103 und der Innenfläche 46 der Kammer 45 ein Spielel OK von 0,013 mm auf, damit das Steuerelement sich ohne nennenzwerte Rebung in der Steuerdruckkammer radial bewegen kann. Wie Fig. 3 zeigt, besteht das Steuerelement C aus einem magnetisch wirksamen Teil mit einem Außendurchmesser d und einer äußeren Beschichtung 105 aus einem magnetisch nichtwirksamen Material mit einer Dicke t, die erfindungsgemäß mindestens dem doppelten Spiel cx,etwa o,026 mm, entspricht. Die Beschiohtung 105 kann aus jedem hierfür geeigneten, unmagnetischen bzw. magnetisch unwirksamen Werkstoff, wie z.B. Kupfer, Messing, rostfreiem Stahl od.dgl., bestehen. Vorzugsweise wird hierfür ein Kunststoffmaterial, insbesondere "Teflon" (Warenzeichen der Firma DuPont Corporation) oder ein äquivalentes Kunststoffmaterial mit geringer Reibungseigenschaft verwendet.
Die radialen Magnetkräfte an dem Steuerelement C wirken in den meisten Fällen geringfügig exzentrisch, so daß das Steuerelement um etwa sein Bewegungsspiel so weit radial verstellt wird, daß es sich mit seiner Außenfläche punkt-oder linienförmig gegen die Wandung 46 legt. Es ist bekannt, daß, wenn zwei magnetisch wirksame Flächen durch ein Magnetfeld gegeneinandergezogen werden, die Magnetkräfte bei Annäherung des magnetischen Luftspaltes gegen Null nach einer asymptotischen Kurve auf einen Maximalwert ansteigen. Durch die Verwendung der magnetisch unwirksamen Umhüllung oder Beschichtung in der genannten Stärke wird das Verhältnis des maximalen Luftspaltes zwischen den magnetisch wirksamen Flächen zu dem geringstmöglichen Luftspalt so eingestellt, daß es niemals den Wert 2:1 übersteigt. Die zwischen der Außenfläche des Steuerelementes C und den Innenflächen der magnetisch wirksamen Teile 40 und 41 wirkenden Radialkräfte werden auf diese Weise begrenzt. Das Spiel f zwischen der Innenfläche des Steuerelements C und der Außenfläche 65 des Steuerkanalelements E ist vorzugsweise mindestens gleich dem Spiel u, um zu verhindern, daß die genannten Radialkräfte das Steuerelement C in Reibanlage gegen das Element E ziehen.
Das Steuerelement C wird durch die Vorspannkraft der Feder 95 in Anlage gegen den Abstandsring 99 und den Anschlag 50 gedrückt. In dieser Funktion sind die Nuten 80 und 81 gegenüber der Steuernut 90 normalerweise um das gleiche Maß gedrosselt. Die Breite bzw. Axialabmessung der Nut 90 ist vorzugsweise mindestens gleich dem Hub des Kolbens P und dem Hub des Steuerelements C, so daß die Steuernut 90 stets in Verbindung mit der Nut 81 steht, auch dann, wenn sich das Steuerelement C in seiner äußersten rechten Position und der Kolben P in seiner äußersten linken Position befindet.
An den Drosselstellen 97 und 98 stellt sich ein erheblicher Druckabfall ein. Selbst in der Null- oder Neutralposition ergibt sich ein kontinuierlicher Druckmittelfluß durch die Drosselstellen, der unmittelbar proportional den Durchflußquerschnitten der beiden Drosseln ist. Der Durchflußquerschnitt jeder Drossel ist gleich dem Spalt f, multipliziert mit dem Umfang des Steuerkanalelementes E. Der Durchmesser des letzteren wird so weit, wie dies im Hinblick auf die Anordnung der Kanäle 70, 75 möglich ist, eingestellt. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Steuerkanalelementes E etwa 6,35 mm, was unter Zugrundelegung des genannten Spiels einen Außenquerschnitt ergibt, der kleiner ist als bisher bei Linear-Servomotoren für möglich gehalten wurde, bei denen ein genuteter Schieber verwendet wurde, der sich in einem mit Öffnungen versehenen Kolben bewegt. Infolgedessen wird erfindungsgemäß eine geringere Null-Leckage erhalten. Außerdem ergibt sich eine verbesserte Passung der Elemente bei kleineren Fertigungsteleranzen und verbesserter Konzentrizität.
Anstelle der in das stangenförmige Steuerkanalelement E eingebohrten Kanäle 70 und 75 können diese auch durch konzentrisch ineinanderliegende Rohre gebildet werden, von denen das innere die Verbindung zur Hochdruckseite und der Ringraum zwischen den Rohren die Verbindung zur Niederdruckseite herstellt.
Die Magnetspule S weist vorzugsweise mehrere Lagen an Kupferdrähten auf, die in einem Isoliermedium eingekapselt sind. Ihre Ausgangsdrähte 110x und 111x sind durch Isolierungen in der Mantelhülse 55 herausgeführt. Für die elektrische Stromversorgung der Magnetspule S können elektrische Stromquellen unterschiedlicher Art Verwendung finden, die den im Hinblick auf die Anzahl der Spulenwindungen erforderlichen Strom liefern. In einigen Fällen ist es angebracht, eine Wecheelstromquelle oder eine Kombination einer Wechselstromquelle mit einer Gleichstromquelle zu verwenden. Die geringfügige Schwingung des resultierenden Flusses hat hierbei einen geringfügigen Vibrationseffekt auf das Steuerelement C, welcher dazu beiträgt, ein Kleben bzw. Festsetzen des Steuerelementes zu unterdrücken und außerdem die durch das Festsetzen des Steuerelementes bewirkte Hysterese zu beseitigen. Fig. 4 zeigt schematisch eine Stromquelle 115x, die eine Wechselstromquelle, eine von einer Wechselstromquelle überlagerte Gleichstromquelle oder eine Gleichstromquelle ist, zusammen mit einem Potentiometer 116 X, dessen Außenansohluß 117X über einen Leitungsdraht 118X mit dem einen Ausgang der Stromquelle verbunden ist. Der andere Anschluß 119X des Potentiometers ist über einen Leitungsdraht 120X und einen veränderlichen Widerstand 121X sowie einen Leitungsdraht 111X zu dem anderen Ausgang der Stromquelle geführt. Die Magnetspule S ist über einen Leitungsdraht 110X mit dem Potentiometerarm 126X verbunden, während der andere Anschluß 127X der Magnetspule an den Leitungsdraht 111X angeschlossen ist. Bei Verstellung des den Potentiometerabgriff bildenden Potentiometerarms 126X wird der die Magnetspule S durchfließende Strom von einem durch den Widerstand 121X bestimmten Minimalwert auf einen von dem Widerstand der Magnetspule S und der Spannung der Stromquelle bestimmten Maximalwert verändert.
Die Stromquelle könnte auch aus einem Computer oder irgendeiner anderen Quelle bestehen, mit der sich an der Magnetspule S ein amaloges elektrisches Signal anlegen läßt.
Der die Magnetspule S durchfließende Strom erzeugt einen Magnetfluß über das magnetisch wirksame Teil 40 zu dem ebenfalls magnetisch wirksamen Steuerelement C, welches den von dem Teil 105 gebildeten Luftspalt überbrückt, zu dem magnetisch wirksamen Teil 41 hin. Bei steigendem Magnetfluß wird das Steuerelement C gegen die Rückstellkraft der Feder 95 nach rechts gezogen, wodurch der magnetische Luftspalt geschlossen wird.
Der veränderliche Widerstand 121X hält einen geringfügigen Vorspannztrom in der Magnetspule S aufrecht, wenn der Potentiometerarm 126Xsich in der dargestellten Position der Mindesterregung, d.h. in Kontakt am Außännnsahluß 119X, befindet, so daß das Steuerelement C mit einer Kraft nach rechts gezogen wird, die geringfügig kleiner ist als die geringstmögliahe Vorspannkraft der Feder 95.
Aufgrund der konischen Verjüngung 100 des Steuerelementes C können die magnetischen Kräfte, welche das Steuerelement C bei jedem Erregerstrom nach rechts zu ziehen suchen, über den gesamten Verstellbereich des Steuerelementes C hinweg im wesentlichen konstant gehalten werden. Dies bedeutet, daß eine verhältnismäßig flache Kraft-Wegkurve für das Steuerelement erhalten wird. Da die Schraubenfeder 95 eine deutlich ansteigende Kraft-Wegkurve hat, schneiden sich die beiden Kurven an einem genau definierten Punkt, so daß sich das Steuerelement C bei jedem Erregerstrom in der Magnetspule S stets in eine genau vorbestimmte Position innerhalb der Kammer einstellt.
Zum Verständnis der Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist es nützlich, das Zusammenwirken des Steuerelementes C und des Steuerkanalelementes E bei ihrer Bewegung relativ zueinander und die Bewegung der Kolben P und Q aufgrund der auf sie wirkenden Kräfte zu beleuchten.
Wenn sich das Steuerelement ^C gegenüber dem Steuerkanälelement E bewegt, wird der Durchströmquerschnitt am Übergang von der Nut 80 zu der Steuernut 90 erhöht oder vermindert im Verhältnis zu dem Stellweg, während die Verbindung der Nuten 90 und 81 in ihrem Querschnitt im umgekehrten Sinn verändert wird. Das Zusammenwirken der Nuten ist vergleichbar einem Paar veränderlicher Ventile oder Drosseln, die in Reihe zwischen Hochdruck und Niederdruck geschaltet sind, wobei die Steuernut 90 einen Zwischenkanal zwischen den Nuten bildet und unter einem Zwischen- oder Steuerdruck steht. Der Durchfluß durch eine Drossel ist unmittelbar proportional dem Drosselquerschnitt und der Quadratwurzel des Druckabfalls über die Drossel. Da der Durchfluß durch zwei hintereinandergeschaltete Drosseln genau gleich groß ist, muß sich der Druck in der Zwischenverbindung, d.h. in der Nut 90 zwischen den beiden Drosselventilen, zwangsläufig im Sinne einer Druckerhöhung oder Druckverminderung verändern, um die Bedingung der gleichmäßigen Durchströmung der beiden Drosseln zu erfüllen. Der Druck in der Nut 90 wird über die Nut 99' in die Steuerkammer 22 übertragen. Er wirkt hier im Sinne einer Verschiebung des Stellkolbens B nach links mit einer Kraft, die der druckbeaufschlagten Fläche des Stellkolbens P, multipliziert mit der Druckhöhe, ist.
In Gegenrichtung wirkt auf die Kolbenfläche 33 des Hochdruckkolbens Q und damit auf den Stellkolben der Hochdruck. Da die Kolbenfläche 33 um z.B. 50 % kleiner ist als die druckbeaufschlagte Fläche des Stellkolbens P, übt der Hochdruck eine Kraft aus, die den Kolben P nach rechts zu verschieben sucht. Wenn diese Kräfte zuzüglich oder abzüglich irgendwelcher äußeren Kräfte an dem Ausgangsschaft 0 nicht im gleichgewicht stehen, bewegen sich die Kolben in Richtung der höheren Kraft, bis der Gleichgewichtszustand hergestellt ist.
Aufgrund der mechanischen Verbindung des Steuerkanalelements E mit den Kolben führt jede Kolbenbewsgung zu einer Veränderung der Verbindung der beiden vorgenannten Ventile oder Drosseln, bis der Druck in der Steuerdruckkammer 22 auf die Kolbenfläche 27 des Stellkolbens eine nach links gerichtete Kraft ausübt, die genau gleich der Kraft ist, welche der Hochdruck am Kolben Q bewirkt, züzüglich bzw. abzüglich etwaiger von außen an dem Schaft 0 wirkender Kräfte.
Sehr geringe relative Veränderungen der Öffnungsquerschnitte bzw. der Drosselquerschnitte führen zu großen Änderungen des Drucks in der Steuernut 90 und damit in der Steuerdruckkammer 22. Die Kolben folgen stets unverzüglich der Bewegung des Steuerelementes C nach rechts oder links bei Ver- ände des Erregungszustandes der Magnetspule S. Große Schwankungen der an dem Schaft 0 wirkenden Außenkräfte, d.h. entweder Zug- oder Druckkräfte, führen zu großen Druckänderungen in der Steuerdruckkammer 22 bei nur sehr geringen Kolbenbewegungen von z.B. 0,025 mm.
Fig. 1 zeigt den Stell- oder Servomotor bei maximalem Druck des Druckmediums und bei nahezu Null-Erregerstrom. In diesem Zustand steht die Nut 80 unter Hochdruck und die Nut 81 unter Niederdruck. Die beiden Nuten 80 und 81 sind gegenüber der Steuernut 90 um dasselbe Maß gedrosselt. Der Druckabfall von der Nut 80 zur Nut 90 und von letzterer zu der Nut 81 ist somit derselbe. Der Druck in der Nut 90 und in der Steuerdruckkammer 22 liegt daher genau in der Mitte zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck. Da die Größe der Kolbenfläche 27, welche die Querschnittsfläche des Steuerkanalelementes E einschließt, doppelt so groß ist wie die Größe der Kolbenfläche 33, sind die Druckkräfte ausgeglichen. Die Kolben P, Q und das Steuerkanalelement E befinden sich daher in ihrer äußersten linken Position.
Wird nun die Magnetspule S durch Verstellen des Potentiometerarms 126X des Potentiometers 116 nach links erregt, so erhöht sich der die Magnetspule S durchfließende Strom und entsprechend der Magnetfluß in den magnetisch wirksamen Teilen 40 und 41 mit der Wirkung, daß das Steuerelement C sich gegen die Rückstellkraft der Feder 95 nach rechts bewegt. Bei dieser Stellbewegung läuft die Steuernut 90 von der Nut 80 fort in Richtung auf die Nut 81. Infolgedessen stellt sich zwischen den Nuten 80 und 90 ein größerer Druckabfall und zwischen den Nuten 90 und 81 ein verminderter Druckabfall ein. Der Anstieg der Drosselwirkung zwischen den Nuten 80 und 90 hat die Tendenz, den Druck in der Steuerdruckkammer 22, 45 zu vermindern,und damit die Druckwirkung auf den Kolben P im Sinne seiner Verschiebung nach links. Die auf den Kolben Q nach rechts wirkenden Kräfte bleiben dieselben. Die Kolben P, Q und das Steuerkanalelement E bewegen sich daher nach rechts, bis die Druckkräfte an diesen drei Elementen wieder exakt im Gleichgewichtszustand sind. Wird das Steuerelement C weiter nach rechts verstellt, so fällt der Druck in der Steuernut 90 und in der Steuerdruckkammer 22 weiter ab mit der Folge, daß sich die Kolben Q, P und das Steuerkanalelement E weiter nach rechts bewegen und damit die an den Kolben P, Q und dem Steuerkanalelement E wirkenden Kräfte im Gleichgewichtszustand halten.
Bei Abwesenheit von Außenkräften an dem Schaft 0 bleibt bei einem konstanten Hochdruck der Druck in der Steuerdruckkammer konstant. Das einzige, was sich ändert, ist die Position der Kolben, des Steuerkanalelements E und des Schaftes 0, wenn diese der Stellbewegung des Steuerelements C folgen.
Extrem kleine relative Bewegungen der Nuten 80, 81 gegenüber der Steuernut 90 können große Druckänderungen hervorrufen. Die Drücke in der Steuerdruckkammer 22 reichen von nahezu Hochdruck bis nahezu Niederdrnck bei sehr geringer Bewegung der Kolben P und Q von z.B. 0,025 mm, um die Wirkung der von außen an dem Schaft 0 wirkenden Kräfte auszugleichen.
Bei einem Versagen der elektrischen Stromzuführung bewegt sich das Steuerelement C unter der Rückstellkraft der Feder 95 in die linke Neutralposition, wobei die Kolben P und Q sich automatisch in die in Fig. 1 gezeigte linke Position einstellen.
Fig. 5 zeigt einen doppeltwirkenden Stell- bzw. Servomotor oder Kraftschalter, der im Aufbau weitgehend demjenigen nach den Fig. 1 bis 3 entspricht. Übereinstimmende Teile sind mit denselben Bezugszeichen belegt, während funktionell übereinstimmende, jedoch baulich geänderte Teile die mit einem Indexstrich versehenen Bezugszeichen des Ausführungsbedspiels nach den Fig. 1 bis 3 tragen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist das Steuerkanalelement E' radial beweglich mit dem Stellkolben ^P' verbunden, um etwaige Fluchtungsfehler der beiden miteinander verbundenen Gehäuseteile auszugleichen. Das linke Ende 108 des Steuerkanalelementes E' greift mit Spiel in eine Bohrung 110 am rechten Ende des Stellkolbens P' und ist in dieser Bohrung mittels einer weich-flexiblen Druckdichtung 110 abgedichtet. Das Steuerkanalelement E^I weist im Axialabstand von seinem Ende 108 einen Flansch 121 auf, der ebenfalls eine weich-flexible Druckdichtung 111 trägt, die in Dichtanlage an der Innenwand einer Gegenbohrung steht. Das linke Ende 108 zwischen diesen Dichtungen 110 und 111 weist eine umlaufende Nut 113 auf, die über einen Radialkanal 114 mit dem linken Ende des Kanals 75^t verbunden ist. Diese Nut 113 ist über einen Kanal 116, welcher diagonal durch den Kolben P' hindurchgeführt ist, mit der Kolbenseite 123 und damit mit dem Teil 115 der Niederdruckkammer 15 verbunden. Die Sicherung des linken Endes 108 des Steuerkanalelements E' in der Bohrung 107 erfolgt mittels eines Halteringes 120, der sich gegen eine Schulterfläche des Flansches 121 abstützt und der seinerseits von einem Sprengring 124 gehalten wird, der in einer Nut der Kolbenbohrung sitzt.
Der Flansch 121 hat eine Fläche, die doppelt so groß ist wie die Stirnfläche 108. Er ist daher relativ zu dem Kolben P' druckausgeglichen.
Die radial bewegliche Verbindung des Steuerkanalelements E' mit dem Stellkolben in der vorstehend beschriebenen Weise oder in anderer Ausführung läßt sich bei allen in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen vorsehen.
Der Servomotor nach Fig. 5 weist außerdem ein Paar im Axialabstand zueinander angeordneter Magnetspulen S und S' sowie ein Paar magnetisch nicht-wirksamer Teile 42, 42¹ im Inneren der Magnetspule auf, zwischen denen das magnetisch nicht-wirksame Teil 42 liegt, welches mit einem Radialflansch 43¹ od.dgl. versehen ist, der zwischen den beiden einander zugewandten Enden der Magnetspulen S und S' liegt. Beide Magnetspulen S und S' haben daher jeweils einen Magnetkreis, der bis auf den von den Teilen 42, 42^t gebildeten magnetischen Luftspalt über das Steuerelement C' geschlossen ist.
Das Steuerelement C' entspricht dem Steuerelement C der Fig. 1 mit der Ausnahme, daß hier auch sein linkes Ende 100' konisch-verjüngend ausgebildet ist.
Die magnetisch wirksamen Teile 40 und 41 sind mit einem um etwa 0,25 mm größeren Durchmesser gegengebohrt, um links und rechts Schultern zu bilden, deren Abstand um vorzugsweise etwa 0,25 mm größer ist als die axiale Länge des Steuerelementes C'. Ein geschlitzter Sprengring 128 sitzt in einer Nut an der Fläche dieser Gegenbohrung und bildet einen Stützring 129 aus rostfreiem Stahl für eine Feder 95'. Der Sprengring 128 ist so angeordnet, daß unter Berücksichtigung der Dicke des Stützringes 129 der Abstand der linken Fläche 130 des Stützringes von der Schulter derselbe ist wie der Abstand der Bodenfläche des topfförmigen Schraubstopfens 60 von der rechten Schulter. In jeder der beiden Gegenbohrungen sitzt ein Stützring 132 bzw. 133, der in der betreffenden Gegehbohrung beweglich ist und sich gegen die zugeordnete Schulter abstützen kann. Die zu beiden Seiten des Steuerelementes C' angeordneten Schraubenfedern 95 und 95' drücken die Stützringe 132, 133 gegen die genannten Schultern. Die Federn sind vorzugsweise von gleicher Ausbildung; sie stehen unter einer geringen Anfangsdruckvorspannung von z.B. etwa 0,95 Kg. Die Federn 95 und 95' brauchen hierbei nicht genau identisch zu sein, um die Nut 90 des Steuerelements C' gegenüber den Nuten 80 und 81 in ihre Mittellage einzustellen. Wenn das Steuerelement C' durch Erregung einer Magnetspule verstellt wird, stellt sich ein geringer Totpunkt in der Bewegung des Steuerelements ein, bevor die Erregung der Magnetspule einen Wert erreicht, bei welchem diese Anfangsdruckkraft überwunden und das Steuerelement C' verstellt wird.
Fig. 5A zeigt schematisch in einem Schaltdiagramm eine Stromquelle zur Stromversorgung der beiden Magnetspulen S und S'. Ein Potentiometer mit einem Widerstandeelement 142 ist mit seinen Außenanschlüssen über Leitungen 141, 143 mit den Klemmen einer Batterie 146 und mit den beiden Magnetspulen S, S' verbunden. Der den Abgriff bildende Potentiometerarm 144 ist an die beiden anderen Anschlüsse der Magnetspulen S, S' über eine Leitung 145 angeschlossen. Der Potentiometerarm 144 wird von (nicht dargestellten) Federn in eine Mittellage eingestellt, in der beide Magnetspulen S, S' gleich, jedoch mit einem Minimalerregerstrom und mit entgegengesetzter magnetischer Polarität beaufschlagt werden, so daß sie auf das Steuerelement C' gleiche, jedoch in entgegengesetzter Richtung wirkende Kräfte ausüben, die das Steuerelement in seiner Mittel- oder Neutralposition halten.
Die Arbeitsweise der Magnetspulen S, S' im Zusammenwirken mit dem Steuerelement C' entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Wird die Magnetspule S stärker erregt als die Magnetspule S', so verstellt sich das Steuerelement C' und mit ihm das Steuerkanalelement E^I und der Stellkolben P' nach links. Bei Stromausfall gelangt das Steuerelement C' unter der Wirkung der Feder 95, 95¹ wieder in seine dargestellte neutrale Mitteilage. Da die Fedem95, 95' unter einer Anfangsvorspannung stehen, muß der Potentiometerarm 144 über einen kleinen Bogenweg in der einen oder anderen Richtung verstellt werden, bevor die an dem Steuerelement C' wirkende Magnetkraft die Anfangsvorspannung übersteigt und die Stellbewegung des Steuerelements auslöst. Auf diese Weise wird in der Steuerung ein geringer Null- oder Totpunkt geschaffen.
Mit den in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen wird demgemäß ein einfach wirkender oder ein doppeltwirkender, elektrisch steuerbarer und druckmittelbetätigter Stell-oder Servomotor od.dgl. geschaffen, bei welchem das einzige Element, welches aus der Druckkammer herausgeführt ist, der Schaft 0 ist. Die Position dieses Stellorgans läßt sich mit Hilfe eines analogen elektrischen Stroms in der bzw. in einer der Magnetspulen leicht steuern. Die Magnetspulen erzeugen einen magnetischen Kraftfluß, unter dessen Wirkung sich das vollständig im Gehäuse befindliche Steuerelement gegenüber Einlaß- und Auslaßkanälen verstellt, die eine Steuerdruckkammer mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verbinden. Durch Verstellung des Steuerelementes gegenüber diesen Ein- und Auslaßkanälen wird der Druckabfall zwischen den Kanälen und der Steuerdruckkammer verändert. Der Differentialkolben wird unter der Wirkung der an ihm wirkenden Differentialdrücke so gesteuert, daß er der Stellbewegung des Steuerelements genau folgt. Der Kolben wird dann unabhängig von etwaigen Änderungen der an dem Ausgangsschaft wirkenden äußeren Kräfte exakt in seiner Position gehalten.
Fig. 6 zeigt den elektrohydraulisshen Stellantrieb nach Fig. 5 in Verbindung mit einem ferngesteuerten Schieberventil. Letzteres umfaßt ein kombiniertes Ventil- und Kolbengehäuse A, ein die Steuerdruckkammer bildendes Gehäuse B, einen Arbeits- oder Stellkolben N, welcher den Schieber D des Ventils betätigt, einen Hochdruckkolben L, eineSteuerkanalelement K, ein Steuerelement F und ein Paar Magnetspulen S, S', mit denen das Steuerelement F wahlweise nach rechts oder nach links verstellt und damit über den Stellkolben N der Schieber D nach rechts oder nach links verschoben werden kann.
Das Gehäuse A weist einen länglichen Zylinderraum 610 mit der zylindrischen Innenwand 611 auf, an welcher sich der Stellkolben N führt, sowie mehrere mit Einlässen versehene, über Dichtstege getrennte Gehäusekammern, und zwar von rechts nach links: eine Niederdruckkammer 613, einen schmalen Gehäusesteg 614, eine Auslaß-EinlaBkammer 615, einen breiten Gehäusesteg 616, eine Einlaß-Druckkammer 617, einen breiten Gehäusesteg 618, eine Einlaß-Auslaßkammer 619, einen schmalen Gehäusesteg 620 und eine Niederdruckkammer 621. Die Kammern weisen sämtlich dieselbe axiale Breite auf, während die breiten Gehäusestege die doppelte Breite haben wie die schmalen Gehäusestege. In Verbindung mit der Niederdruckkammer 621 steht eine Zylinderkammer 625, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der verschiedenen Gehäusestege und der Kammer 610. Das linke Ende der Kammer 615 ist von einer Stopfenschnaube 628 unter Einschaltung einer 0-Ringdichtung 629 verschlossen. Ein Innenkanal 633 verbindet die Niederdruckkammern 621 und 613. Die Kammer 613 weist eine Einlaßöffnung 634 mit einem Innengewinde für den Anschluß einer Leitungsarmatur auf. Über die Öffnung 634 ist die Kammer 613 normalerweise mit der Niederdruckseite bzw. dem Rücklauf oder einem Sumpf od.dgl. verbunden.
Die Kammer 615 weist eine Gehäuseöffnung 640 mit einem Innengewinde für eine Anschlußarmatur auf, über welche die Verbindung mit einer zu betätigenden Druckmittelvorrichtung hergestellt wird. Die Einlaßkammer 617 ist mit einer Einlaßöffnung 642 mit Innengewinde für eine Anschlußarmatur versehen und wird mit einer Druckquelle verbunden, die ein Hochdruckmedium mit konstantem Volumen liefert. Die Kammer 619 weist einen Anschluß 644 mit Innengewinde für eine Anschlußarmatur auf und wird über diesen Anschluß mit dem anderen Anschluß der druckmittelbetätigten Vorrichtung verbunden.
Der Schieber D weist ein Paar flindrischer Schieberkolben 650 und 651 auf, deren Axialabstand gleich dem Abstand der beiden Einlaß-Auslaß-Druckkammern und einer Länge entsprechend der Breite der Kammern zuzüglich der Breite eines breiten Gehäusesteges ist. Der Schieberkolben 650 steht entweder mit dem Gehäusesteg 614 oder mit dem Gehäuseseg 616 in Kontakt, während der Schieberkolben 651 entweder an dem Gehäusesteg 618 oder am Gehäusesteg 620 anliegt. Die Kolben 650 und 651 weisen jeweils ein Paar konischer, gedrosselter Kanäle 654, 655 an jedem Ende auf, die sich in Richtung auf das Kolbenende vertiefen, um einen ständigen Einlaßdruck und einen begrenzten Druckmitteldurchfluß von z.B. 113 1/min. durch das Ventil aufrechtzuerhalten. Der Einlaßdruck ändert sich innerhalb weiter Grenzen, wenn die Last an der gesteuerten 'Vorrichtung sich ändert. Die Nuten 654 und 655 sind in Fig. 6 an dem Kolben 650 im Querschnitt und an dem Kolben 651 in Draufsicht dargestellt.
Der Hochdruckkolben L ist einstückig mit dem linken Ende des Schiebers D verbunden und gleitet in Dichtanlage an der Wandung der Kammer 625. Er bildet in dieser Kammer eine Hochdruckkammer 661, die links durch den Schraubstopfen 628 verschlossen ist. Der Schieber weist einen im Durchmesser verjüngten Schaft 662 auf, welcher einen Druckmittelkanal bildet, der die Kammer 619 mit der Niederdruckseite verbindet, wenn der Schieber D nach rechts verschoben wird. In gleicher Weise ist der Schieber D mit einem im Durohmesser verjüngten Schieberteil 665 versehen, welches einen mit dem Gehäuseraum 610 in Verbindung stehenden Kanal 666 bildet, über den bei Bewegung des Schiebers D nach links die Kammern 615 und 616 verbunden werden. Schließlich weist der Schieber ein die Kolben 650 und 651 verbindendes, im Durchmesser verjüngtes Schaftteil 657 mit einem diametralen Querkanal 656 auf, über welchen der Einlaßdruck in der Kammer 617 mit einem Axialkanal 658 in Verbindung steht, der sich längs durch den Schieber D erstreckt und eine Verbindung einerseits zu der Hochdruckkammer 661 und andererseits zu der rechten Seite des Schiebers D herstellt.
Der Kolben N ist vorzugsweise einstückig mit dem Schieber D verbunden; er weist mehrere im Axialabstand angeordnete umlaufende Druckausgleichsnuten 670 und eine diese schneidende axial verlaufende Nut 671 auf, die sich von der linken Kolbenfläche 672 zur rechten Kolbenfläche 673 erstreckt. Die sich schneidenden Nuten 671, 670 bilden eine Vielzahl rechtwinkliger Drosselstellen und im Zusammenwirken einen Drosselkanal, der sich von der Steuerdruckkammer zu der Niederdruckkammer hin erstreckt, wie dies im einzelnen im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 7 und 8 noch beschrieben wird.
Das Steuerkanalelement K ist in der im Zusammenhang mit Fig. $ beschriebenen Weise mit dem Kolben N verbunden. Da die Steuerdruckkammer mit der Niederdruckseite hier über die Drossel 671 verbunden ist, braucht hier in dem Steuerkanalelement K nur ein einziger Hochdruck-Verbindungskanal 675 vorgesehen zu werden. Dieser Kanal 675 erstreckt sich axial durch das Steuerkanalelement K hindurch bis zu einem Verschlußstopfen 676 am rechten Ende desselben. Eine Nut 678 an der Außenfläche 679 des Steuerkanalelementes K ist über radial gebohrte Öffnungen 680 mit dem Axialkanal 675 verbunden. Die Nut 678 weist radial stehende Flanken 678' und 678" auf.
Das Steuerelement F entspricht im wesentlichen dem Steuerelement C' der Fig. 5. Es weist hier eine Umfangsnut 681 an seiner Innenfläche auf, die über Querkanäle 683 mit einer Längsnut 682 an der Außenseite des Steuerelementes in Verbindung steht, so daß das Hochdruckmedium in der Einlaßkammer 617 über die Öffnungen 656, den Axialkanal 658, den Axialkanal 675, die Radialkanäle 680, die Nut 678, die Nut 681, den Radialkanal 683 und die Nut 682 mit der Steuerdruckkammer verbunden ist.
Die Nut 678 ist hier so angeordnet, daß ihre rechte Nutflanke 678" und die linke Flanke der Nut 681 sich geringfügig Ubergreifen, wenn sich das Steuerelement F in seiner dargestellten Mittellage befindet, bei der die Magnetspulen S und S' nicht erregt sind. Das Maß der Überlappung dieser Nuten ist abhängig von der Drosselung in der zum Auslaß führenden Nut 671 und dem Spalt f (Fig. 3). Der Kolben N bewegt die Nuten relativ zueinander, so daß der Durchfluß durch diese Nuten gleich dem Durchfluß durch die Nut 671 ist.
Der über den Kanal 658 in der Hochdruckkammer 661 wirkende Hochdruck wirkt auf die rechte Kolbenfläche 660 des Hochdruckkolbens L. Die veränderlichen Drücke in der Steuerdruckkammer wirken auf die linke Kolbenfläche des Kolbens N. Der Kolben N bewegt die Nut 678 relativ zu der Nut 681 im Sinne eines Öffnens oder Schließens der Verbindung des Kanals 675 gegenüber der zu der Niederdruckseite führenden Verbindung, bis die Druckkräfte am Kolben N und am Kolben L des Ventilschiebers D im Gleichgewicht stehen.
Bei Erregung der Magnetspule S bewegt sich das Steuerelement F nach rechts, wodurch der Druck in der Steuerdruckkammer die Tendenz hat, sich zu verringern. Der Kolben N und der Schieber D folgen dem Steuerelement F und halten diesen Druck konstant. Bei dieser Bewegung des Schiebers D wird die Druckmittelverbindung zu der Gehäuseöffnung 640 hergestellt. Wird andererseits die Magnetspule S' erregt, so verschiebt sich das Steuerelement F nach links, wobei der Kolben N und der Schieber D ebenfalls eine Bewegung nach links ausführen, so daß die Druckmittelverbindung zu der Gehäuseöffnung 644 hergestellt wird. Druckänderungen in der Einlaßöffnung 642 erzeugen proportionale Druckänderungen in den Hochdruck-und Steuerdruckkammern und beeinträchtigen daher nicht den Kraftausgleich am Kolben N und am Schieber D.
Bei einem Ausfall der elektrischen Stromversorgung stellt sich das Steuerelement F wieder in die neutrale Mittellage gemäß Fig. 6 zurück, wodurch auch der Schieber D automatisch in seine neutrale Mittellage zurückkehrt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Federn 95 und 95' so ausgebildet, daß ihre freie, unbelastete Länge größer ist als die Einbaulänge innerhalb der Steuervorrichtung. Die Federn üben daher über ihre Stützringe eine Anfangsvorspannkraft auf die beiden Enden des Steuerelements F aus. Um das Steuerelement F gegen diese Feder-Vorspannkraft zu verstellen, muß daher der Potentiometerarm gemäß Fig. 5A über einen kleinen Stellweg verstellt werden, um eine der beiden Magnetspulen stärker als die andere zu erregen, bevor die Stellbewegung des Steuerelementes einsetzt. Die Bedienungsperson hat daher einen geringfügigen Totweg in der Handsteuerung, bevor über das Steuerelement F der Schieber D zur Steuerung eines Motors oder Kolbens geschaltet wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ventil handelt es sich um ein Zweiwegeventil, welches sich mittels eines analogen elektrischen Stroms fernsteuern läßt und welches eine sehr präzise Schaltung des Schiebers und demgemäß eine genaue Steuerung der Vorrichtung, die durch das Schieberventil gesteuert wird, zuläßt.
In Fig. 7 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einem Druckentlastungs- oder Überdruckventil der Differentialkolbenbauart dargestellt. Dieses Ventil besteht im wesentlichen aus einem VentilgehäuseT, einem die Steuerdruckkammer bildenden SteuergEhäuse U, einem Ventilbetätigungskolben V, einem Stell- oder Steuerdruckkolben W, einem Steuerkanalelement X, einem magnetisch betätigten Steuerelement Y in Gestalt'einer Hülse und einer Magnetspule S, die mit einer einstellbaren Stromquelle verbindbar ist, um das Steuerelement je nach dem Erregerstrom in die unterschiedlichen Einstellpositionen innerhalb des Gehäuses U zu bringen.
Das Gehäuse T wird von einem Block aus Stahl, Aluminium oder einem anderen hochfesten Werkstoff gebildet und weist einen länglichen Zylinderraum 710 auf, in welchem der S_tell- kolben W gleitet, in welchem seinerseits der Ventilkolben V verschiebbar gelagert ist. Das Gehäuse U entspricht den Gehäuseteil M der Fig. 1. Es weist eine Gehäusekammer 717 auf, die koaxial zu und in Verbindung mit dem Gehäuseraum 710 angeordnet ist.und eine zylindrische Innenwand 718 hat. Die linke Seite des magnetisch wirksamen Teils 740 bildet eine Fläche 716, welche als rechter Anschlag für den Kolben W dient. Das linke Ende des Gehäuseraums 710 ist bei 720 gegengebohrt, wobei die Schulter 721 einen linken Anschlag für den hubbeweglichen Kolben W bildet. Die axiale Länge des Kolbens W ist um die Strecke d kleiner als der Abstand der beiden genannten Anschläge.
Am linken Ende des Gehäuses T ist in der Achse des Gehäuseraumes 710 eine Einlaßöffnung 724 vorgesehen, in der ein Ventilsitzglied 725 sitzt, welches einen in der Einlaßöffnung liegenden, durch eine O-Ringdichtung abgedichteten, zylindrischen Ansatz 726 aufweist. Die Öffnung 724 ist mit einem Innengewinde für eine geeignete Anschlußarmatur versehen. Das rechte Ende des Ventilsitzgliedes 725 weist eine konische Ventilsitzfläche 731 auf, die eine Einlaßöffnung 732 des zylindrischen Ansatzes 726 umschließt und gegen die sich im Schließzustand des Ventils eine Ventilsitzanlagefläche 734 am linken Ende des Ventilkolbens V legt. Die Ventilsitzanlagefläche 734 legt sich tangential gegen die konische Ventilsitzfläche 731 auf einem Kreis 735, dessen Durchmesser a von dem Krümmungsradius der Fläche 734 und dem Konuswinkel der Fläche 731 bestimmt ist. Die Abmessungsverhältnisse sind so gewählt, daß der Durchmesser a mindestens größer ist als der Durchmesser des gegenüberliegenden Endes des Ventilkolbens V, welches vom Hochdruck beaufschlagt ist, und der Durchmesser des Teils 726 des Ventilsitzgliedes 725. Der Kreis 735 umschließt eine Fläche, gegen welche das in der Einlaßöffnung stehende Druckmedium eine nach rechts gerichtete Kraft ausübt, die gleich dem Druck des Druckmediums, multipliziert mit der Größe dieser linken Fläche, ist.
In Nähe des Ventilsitzgliedes 725, d.h. unmittelbar hinter diesem, ist am Gehäuse ein Gehäuseauslaß 740 mit einem Innengewinde für eine Anschlußarmatur angeordnet, die mit der von der Gegenbohrung 720 gebildeten Kammer in Verbindung steht. Normalerweise ist der Druck an dieser Gehäuseöffnung 740 Null. Wenn sich der Ventilkolben V nach rechts bewegt und damit seine Ventilsitzanlagefläche 734 von der Ventilsitzfläche 731 abhebt, strömt das Druckmedium von der Einlaßöffnung an der Ventilsitzfläche 731 vorbei zu dem Gehäuseauslaß 740.
Der Stellkolben W weist einen solchen Außendurchmesser auf, daß er in Dichtanlage mit der zylindrischen Innenwand des Gehäuseraumes 710 gleitet. Er ist mit mehreren im wesentlichen rechteckigen, umlaufenden Druckausgleichsnuten 750 versehen, wie dies an sich bekannt ist. Außerdem ist an der Außenfläche des Kolbens eine axial verlaufende rechteckige Nut 752 vorgesehen, welche die Umfangsnuten 750 schneidet und eimVerbindung zwischen der auf der rechten Seite liegenden Kammer 717 und der auf der linken Seite liegenden Kammer 710 herstellt, die ihrerseits mit dem Gehäuseauslaß 740 verbunden ist. Die Schnittstellen der Nut 750 und 752 bewirken einen Drosselkanal in der Verbindung zwischen der Kammer 717 und dem Gehäuseauslaß 740 mittels mehrerer scharfkantiger Drosselstellen, so daß der Druckabfall des den Drosselkanal durchströmenden Druckmediums, weitgehend unabhängig von dessen Viskosität, proportional der Quadratwurzel der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Steuerdruckkammer 717 und der von dem Gehäuseauslaß 740 gebildeten Niederdruckseite ist. Die Abmessungen der Nut 752 sind vorzugsweise so gewählt, daß der Leckstrom etwa in der Größenordnung von 4 bis 16,5 cm³/min. bei Maximaldruck am Ventil beträgt. In der Praxis haben die Umfangsnuten 750 angenähert Abmessungen von 0,5 mm Breite und 0,5 mm Tiefe. Die den Leckstrom führende Nut 752 hat Abmessungen von etwa 0,75 mm Breite und 0,5 mm Tiefe. Es versteht sich, daß diese Abmessungsverhältnisse schwanken können, um die gewünschten Durchflußmengen und den gewünschten Druckausgleich zu erzielen.
Der Kolben W ist mit einer inneren zylindrischen Kolbenkammer 755 versehen, in welcher das rechte Ende 766 des Ventilkolbens V verschiebbar geführt und mittels einer O-Ringdichtung 767 abgedichtet ist. In Nähe des linken Endes des Ventilkolbens V befindet sich ein Radialflansch 769, der in Gleitanlage mit der zylindrischen Innenwand der Gegenbohrung 720 des Gehäuseraumes 710 steht und der mit Axialnuten 771 für den Durchtritt des Druckmediums versehen ist.
Das linke Ende des Kolbens W ist zur Bildung einer Schulter 772 und eines Kolbenraumes 773 für die Aufnahme einer Feder 774 gegengebohrt. Die Feder 774 stützt sich einerseits gegen die Schulter 772 und andererseits gegen den Flansch 769 ab. Die Feder 774 ist das Hauptdrucksteuerorgan; sie belastet den Ventilkolben V in Schließrichtung des Ventilgliedes und den Kolben W in Gegenrichtung.
Der Ventilkolben V ist mit einem Axialkanal 779 versehen, welcher den Hochdruck in der Einlaßöffnung 724 mit einer auf der rechten Seite des Ventilkolbens V liegenden Kolbenkammer 765 verbindet. Das Hochdruckmedium in der Kolbenkammer 765 wirkt über den Spalt zwischen dem Kolbenteil 766 und der Innenwand der Kolbenkammer 765 gegen die linke Seite des O-Ringes 767. Das Druckmedium hat daher die Tendenz, den 0-Ring 767 in Richtung nach links. d.h. in Richtung auf den Ventilsitz 731, zusammenzudrücken. Für die Erfindung wichtig ist, daß die Querschnittsfläche des Kolbenschaftes 766 kleiner ist als die Querschnittsfläche der von dem Kreis 735 umschlossenen Fläche, wobei die Fläohendifferenz so ausgelegt ist, daß die Drücke in der Einlaßöffnung 724 bestrebt sind, den Kolben V nach rechts zu drücken. Diesen Drücken entgegen wirkt die Druckfeder 774, die durch den im Durchmesser größeren Stellkolben W in ihrer Federspannung veränderlich einstellbar ist.
Diese Einstellung der Druckkraft der Feder 774 erfolgt über ein elektrisches analoges Fernsteuersignal. Das Steuerkanalelement X ragt von dem Kolben W koaxial in die Steuerdruckkammer 717. Der hier als Steuerkolben dienende Stellkolben W und das Steuerkanalelement X sind mit einem durchgehenden Axialkanal 780 versehen, der am linken Ende mit der Kolbenkammer 765 und am rechten Ende mit einem Querkanal 782 (Fig. 7A) verbunden ist. Der Kanal 782 mündet in eine zylindrische Nut 783 an der Außenfläche 784 des Steuerkanalelementes X. Die Kanäle 782,78o und 779 bilden in Abwesenheit des Steuerelementes Y eine ungedrosselte Verbindung zwischen dem Innenraum 717 des Gehäuses U und dem unter Druck stehenden Gehäuseeinlaß. Der Druck in der Kammer 717 übt eine Kraft auf den Kolben W nach links aus, die gleich der Kolbenfläche des Kolbens W abzüglich der Querschnittsfläche der Kolbenkammer 765 ist.
Das Steuerelement Y entspricht im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1. Es weist an seiner Innenfläche eine langgestreckte, umlaufende Nut 790 auf, die über einen Querkanal 792 mit einer Längsnut 791 an der Außenfläche verbunden ist. Wie Fig. 7A zeigt, befindet sich die linke Flanke 793 der Steuernut 790 in einem Abstand von dem linken Ende des Steuerelements Y, der mindestens gleich der größtmöglichen Bewegungsstrecke des Steuerelementes nach rechts entspricht, so. daß sie die Nut 783 überlappt, wenn bei nicht beaufschlagtem Kolben W sich dieser in der dargestellten rechten Endlage befindet, wobei das Maß der Überlappung der Nut 783 mit z.B. 0,12 mm verhältnismäßig gering ist, wenn der Kolben W unter der Wirkung des Drucks in der Druckkammer 717 seinen vollen Kolbenweg nach links ausgeführt hat. Während die meisten hier beschriebenen Vorrichtungen ein Flächenverhältnis der Steuerkolbenfläche zu der Hochdruckkolbenfläche (Differentialflächenverhältnis) von etwa 2:1 aufweisen, brauchen federbelastete Ventile, wie Überdruckventile, Druckreduzierventile, Folgeventile u.dgl., eine vor Betätigung eingestellte Federkraft. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist Netto-Steuerdruckfläche um 7,5mal größer als die Nettofläche des Steuerkolbens, der dem Systemdruck ausgesetzt ist. Das Steuerelement Y wird von der Feder 795 ständig nach links gedrückt. Es besteht daher normalerweise eincteilweise gedrosselter Druckmittelfluß in die Kammer 717 und ein voll gedrosselter Druckmitteldruck aus der Kammer 717.
Im Betrieb erzeugt der an der Einlaßöffnung 724 wirkende Hochdruck eine nach rechts gerichtete Kraft gegen die von dem Umkreis 735 des Ventilschließgliedes definierte Fläche. Zugleich wird der Hochdruck über den Kanal 779 in die Kolbenkammer 765 übertragen, wo er gegen das Ende 796 des Ventilkolbens V wirkt. Da die Fläche 796 kleiner ist als die von dem Kreis 735 eingeschlossene Fläche, versuchen diese Kräfte, den Ventilkolben V nach rechts zu verschieben. Die Feder 774 drückt den Ventilkolben V mit einer Kraft in Schließrichtung, die abhängig ist von ihrer Federcharakteristik und dem Maß ihrer Vorspannung. Wenn die am Ventilkolben V wirkenden Differenzdruckkräfte die Federkraft übersteigen, öffnet der Ventilkolben V, wodurch eine gedrosselte Verbindung zwischen Einlaß 724 und Auslaß 740 hergestellt wird.
Der Einlaßdruck wird außerdem über die Kanäle 779, 780, 782, die Nuten 783, 790, den Kanal 792 und die Nut 791 in die Steuerdruckkammer 717 übertragen. Dieser Druck baut sich dann über die Drosselnut 752 und die Nut 771 zu dem Auslaß 740 hin ab. Mit steigendem Einlaßdruck erhöht sich der Druck in der Steuerdruckkammer 717. Der auf der rechten Kolbenseite von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagte Stellkolben W verschiebt sich nach links und drückt die Feder 774 zusammen, wodurch die Schließkraft des Ventils, d.h. der Einlaßdruck, bei dem sich der Ventilkolben V vom Ventilsitz abhebt, erhöht. Die Schulter 721 begrenzt die Stellbewegung des Kolbens W nach links und bestimmt damit das Maß, um welches die Feder 774 durch den Stellkolben zusammendrücken läßt. In Abhängigkeit von der Charakteristik der Feder 774 wird auf diese Weise der maximale Ansprechdruck des Ventils bestimmt. Bei Erregung der Magnetspule S verschiebt der Magnetfluß das Steuerelement Y nach rechts gegen die Kraft der Feder 795. In Abhängigkeit von der Erregung der Magnetspule S nimmt das Steuerelement Y unterschiedlkhe Positionen ein. Bei der Bewegung des Steuerelements Y nach rechts drosselt es den Ausfluß des Druckmediums aus der Nut 783, so daß die Menge des der Steuerdruckkammer 717 zuströmenden Druckmediums kleiner wird als die Menge des aus der Steuerdruckkammer 717 über die Kanäle,752, 771 abfließenden Druckmediums. Der Stellkolben W bewegt sich daher unter der Kraft der Feder 774 nach rechts. Hierbei vermindert sich die Spannung der Feder 774 und damit der Druck,bei welchem sich der Ventilkolben V unter dem Differentialdruck vom Ventilsitz abhebt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ventil läßt sich daher der Ansprechdruck, bei welchem das Ventil öffnet, über ein analoges elektrisches Signal steuern, welches über eine elektrische Leitungsverbindung von irgendeiner entfernt liegenden Stelle übertragen wird. Durch Einstellung des Steuerelementes Y wird die Spannung der Feder 774 innerhalb der gegebenen Grenzen verstellt, wodurch sich in Abhängigkeit von der Federkonstante der Feder 774 und dem maximalen Hub des Kolbens W der Ansprechdruck zwischen einem maximalen Betriebswert und einem tiefer liegenden Wert einstellen läßt.
Zusätzlich werden mit einem solchen Ventil noch eine Reihe weiterer Vorteile erhalten. Im Gegensatz zu bekannten Ventilen ist bei dem erfindungsgemäßen Ventil der Durchmesser des 0-Ringes 767 kleiner als der Durchmesser des Kreises 735 der Ventilsitzfläche. Infolgedessen ist die Fläche, gegen welche der O-Ring 767 abdichtet, kleiner, wodurch auch die Reibung vermindert und die Ansprechempfindlichkeit des Ventilkolbens V bei Druckschwankungen erhöht wird.
Im Gegensatz zu bekannten Differentialdruckventilen wirkt bei dem erfindungsgemäßen Ventil außerdem der Druck an dem O-Ring 767 stets in Richtung auf den Ventilsitz. Dieser sehr hohe Druck ist bestrebt, Teile des O-Ringes in den Spalt zwischen den abzudichtenden Flächen zu drücken. Die Schließbewegung des Ventilkolbens V hat daher die Tendenz, den o-Ring 767 wieder aus dem Spalt herauszuführen, wodurch sich der Ventilkolben mit verminderter Reibung in die Schließlage zurückstellen kann. Die Neigung des Ventils, schon bei Drücken unmittelbariunterhalb des Ansprechdruckes Druckmittel abzulassen, wird daher unterdrückt und es wird zugleich erreicht, daß sich das Ventil nach dem Ansprechen schon unter einer kleineren Druckdifferenz schließt.
Beim Öffnen des Ventilkolbens V stellt sich durch das über den Einlaß 724 zufließende Druckmittel eine Strahlwirkung an dem Ventilkolben ein, welcher den raschen Öffnungsvorgang des Ventils unterstützt und dazu beiträgt, daß das Ventil mit einer extrem flachen Druck-Mengenkurve arbeitet. Die Drosselnut 772, welche die Umfangsnut 750 unter Bildung von rechteckigen Drosselkanten schneidet, ist für die Verwirklichung der Drosselverbindung der Steuerdruckkammer mit dem Auslaß besonders vorteilhaft. Statt dessen können für diese Verbindung aber auch andere Drosselkanäle vorgesehen werden. Bei Verwendung der Drosselverbindung 752, 750 ergibt sich der besondere Vorteil, daß die Durchflußmenge unmittelbar proportional der Quadratwurzel des Drucks und zugleich weitgehend unabhängig von der Viskosität des Druckmittels ist.
Bei Ausfall der elektrischen Stromversorgung verschiebt die Feder 795 das Steuerelement Y nach links mit der Folge, daß sich auch der Stellkolben W nach links verschiebt und dabei die Feder 774 zusammendrückt. Der Kolben W legt sich hierbei gegen den von der Schulter 721 gebildeten Anschlag, so daß bei Stromausfall das Ventil auf den größtmöglichen Ansprechdruck eingestellt wird. Eine Verminderung des Ansprechdruckes den Ventils bei Stromausfall würde in-vielen Fällen zu erheblichen Betrlebsgefährdungen führen.
Die gewölbte Ventilsitzanlagefläche 734 in Verbindung mit der konischen Ventilsitzfläche verbessert die Strömungscharakteristik des Ventils. Diese Formgestaltung der Flächen bewirkt, daß der Einfluß der Wirbelströme beim Öffnen des Ventils vollständig unterdrückt wird, so daß sich eine erheblich flachere Druck-Mengenkurve ergibt. Dieser Vorteil findet sine Erklärung darin, daß sich die Wirbel beim Öffnen des Ventils einerseits bei einem kleineren Durchmesser als dem Durchmesser des Kreises 735 (Ventilsitzdurchmesser) und andererseits bei einem gegenüber diesem größeren Durchmesser bilden. Die Wirbelbildung im Inneren des wirklichen Ventilsitzes vollzieht sich in einem Bereich des Kolbens, der gegenüber dem Einlaßdruck unter einem kleineren Druck steht. Sofern dieser Wirbelbildung nicht entgegengewirkt würde, so würde sich eine ansteigende Druck-Mengencharakteristik des Ventils ergeben. Da aber hier Flächen vorhanden sind, die einen größeren Durchmesser haben als der wirkliche Ventilsitz und an denen sich eine dynamische Wirbelbildung ohne statische Dichtwirkung einstellt, ergibt sich insgesamt eine flache Druck-Mengenkurve.
In den Fig. 8 und 8A ist eine Druckmittelvorrichtung gezeigt, bei welcher die erfindungsgemäße Steuer- und Betätigungsvorrichtung zur Steuerung eines Durchflußregelventiles verwendet wird, bei dem der Druck am VentilauslaB auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden muß. Das nach Art eines Differentialkolbenventils ausgebildete Ventil umfaßt im wesentlichen ein Kolben- und Ventilgehäuse T1, ein die Steuerdruckkammer bildendes Steuergehäuse G, einen Ventilkolben I, ein Steuerkanalelement J, ein magnetisch verstellbares Steuerelement K und eine Magnetspule S, durch deren Erregung sich das Steuerelement K in dem Gehäuse T1 in verschiedene Posttionen einstellen läßt.
Das Gehäuse T1 besteht auch hier aus einem Block aus Stahl, Aluminium oder einem sonstigen hochfesten Werkstoff, der einen Zylinderraum 810 aufweist, in welcher der Kolben I gleitet. Der Zylinderraum 810 ist am rechten Ende gegengebohrt und mit einem Innengewinde versehen, in welches das Gewindeende 811 des Steuergehäuses G eingeschraubt ist. Am linken Ende weist der Zylinderraum 810 eine Gegenbohrung 812, die eine Auslaßdruckkammer bildet, und eine sich daran anschließende Gegenbohrung 813 auf, die einen Ventileinlaßkanal bildet und mit einem Gewinde 814 für eine Anschlußarmatur versehen ist. In der Gegenbohrung 813 ist ein von einem O-Ring 815 abgedichtetes Ventilsitzglied 814 angeordnet, welches einen in die kleinere Gegenbohrung 812 einfassenden Lagerflansch 816 aufweist. Das Ventilsitzglied 814 wird durch einen Sprengring 817 festgelegt, der in eine Nut an der Innenwand der Gegenbohrung 813 eingesetzt ist. Das Ventilsitzglied 814 hat im wesentlichen die Form eines zur rechten Seite hin offenen Topfstückes, dessen Außenkante einen kreisförmigen Ventilsitz 820 bildet. Mehrere Kanäle 821 verbinden den Innenraum des Topfstückes mit der Einlaßseite. Erfindungsgemäß besteht das Ventilsitzglied 814 aus einem magnetisch wirksamen Werkstoff, so daß es etwaige in dem Druckmedium befindliche magnetische Schmutzteilchen auffangen kann.
Unmittelbar rechts neben dem Ventilsitzglied 814 weist die Gegenbohrung 812 einen Auslaßkanal 830 mit einem Innengewinde für eine Anschlußarmatur auf. Normalerweise steht die von der Gegenbohrung 812 gebildete Kammer unter einem niedrigen Druck, dessen Druckhöhe von dem Ventil bestimmt wird.
Das Steuergehäuse G entspricht dem Gehäuse M der Fig. 1. Seine linke Stirnfläche bildet einen rechtsseitigen Anschlag für den Kolben I. Der Kolben I besteht aus einem in dem Gehäuseraum 810 dichtend gleitenden zylindrischen Kolbenkörper, der in bekannter Weise mit einer größeren Anzahl von im Axialabstand zueinander angeordneten Umfangs-Druckausgleichsnuten 841 versehen ist. Am linken Ende des Kolbens I befindet sich ein Schließglied 844 mit einer Ventilsitzanlagefläche 845, die sich nach links progressiv abnehmend konisch verjüngt, so daß sich eine konkave Konusfläche ergibt. Bei Bewegung der Ventilsitzanlagefläche 845 nach rechts ändert sich daher der Ventilöffnungsquerschnitt in bezug auf den Linearhub des Ventilsitzgliedes nach einer abfallenden, nicht-linearen Beziehung. Die Formgebung der Ventilsitzanlagefläche 845 kann für eine bestimmte druckmittelbetätigte Vorrichtung so getroffen werden, daß Leckageschwankungen dieser Vorrichtungen insbesondere bei niedriger Geschwindigkeit und bei temperaturbedingter Verminderung der Viskosität des Druckmediums kompensiert werden.
Der Durchmesser des Ventilsitzes 820 ist kleiner als der Kolbendurchmesser. Das den Kolben I von links beaufschlagende Druckmedium übt auf den Kolben eine Kraft aus, die gleich der Querschnittsfläche des Ventilsitzes 820, multipliziert mit "dem Druck, ist.
Das Steuerkanalelement J besteht aus einer zylindrischen Stange, die sich von der rechten Kolbenseite 851 nach rechts erstreckt und die an ihrer zylindrischen Außenfläche 853 eine umlaufende Nut 855 aufweist, die im Axialabstand von der Kolbenfläche 851 an dem Steuerkanalelement J angeordnet ist.
Das Steuerelement K entspricht im wesentlichen dem Steuerelement C nach Fig. 1. Die Nut 855 und eine Nut 890 an der Innenwand des Steuerelementes K sind in Axialrichtung so zueinander angeordnet, daß sich die Nuten um ein kleines Maß von z.B. 0,13 mm überschneiden, wenn sich das Steuerelement K in der dargestellten äußersten linken Position und die Ventilsitzanlagefläche 845 in Anlage an dem Ventilsitz 820 befindet.
Der Kolben I und das Steuerkanalelement J weisen einen durchgehenden axialen Kanal 880 auf, der auf der linken Seite mit dem Einlaß 813 und auf der rechten Seite mit einem Querkanal 882 verbunden ist, welcher in die Nut 855 mündet. Die Kanäle 880, 882 und die Nuten 855, 890 sowie weitere vorgenannte Kanäle verbinden die Hochdruckseite am Einlaß 813 mit der Steuerdruckkammer. Dieser Hochdruck wirkt auf die rechte Endfläche des Steuerkanalelements J sowie auf die ringförmige Kolbenfläche 851. Die Fläche dieser beiden Kolbenflächen ist größer als die Fläche des Ventilsitzes 8210. Infolgedessen wird der Kolben I gegen die Druckbeaufschlagung an seiner Fläche 844 in Schließstellung gedrückt. Der Kolbenteil 840 des Kolbens I bildet einen gedrosselten Verbindungskanal zwischen der Steuerdruckkammer und dem Auslaß bzwo der Niederdruckkammer 812. Diese Drosselverbindung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Längsnut 850 an der Fläche des Kolbens I gebildet, welche die Nuten 841 unter Ausbildung rechtwinkliger Steuerkanten schneidet und die rechte Kolbenseite mit der linken Klbenseite und der hier befindlichen Kammer 812 verbindet.
Bei Erregung der Magnetspule S bewegt sich das Steuerelement K gegen die Rückstellkraft der Feder 895 nach rechts, wodurch die Verbindung der Nuten 855, 890 gedrosselt und in der Steuerdruckkammer 810 ein Druckabfall erzeugt wird. Erreicht der Druckabfall einen Wert, bei welchem die den Kolben I nach links verstellenden Kräfte kleiner sind als die nach rechts wirkenden Kräfte an der Ventilsitzanlagefläche 845, so verschiebt sich der Kolben I nach rechts, wodurch sich die Ventilsitzanlagefläche 845 von dem Ventilsitz 820 abhebt. Das Hochdruckmedium kann nun über die Ventilöffnung zum Auslaß 830 und von hier zu einer druckmittelbetätigten Vorrichtung strömen.
Bei einem vorgegebenen Öffnungsweg des Ventils ändert sich der Druckmittelstrom und damit auch der Druckabfall mit der Viskosität des die Ventilöffnung durchströmenden Druckmediums. Bei manchen hydraulischen D_ruckmedien, wie insbesondere Öl, kann sich die Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur in verhältnismäßig weiten Grenzen ändern. Bei dem erfindungsgemäßen Ventil werden solche Änderungen in der Viskosität des Öls, z.B. in einem Temperaturbereich von 20° C bis 82° C, automatisch kompensiert.
Die Magnetspule S und ihr Magnetkreis sind so ausgebildet, daß sich das Steuerelement K mit verhältnismäßig geringen elektrischen Strömen, z.B. unter 6 W, verstellen läßt. Die bei diesen Strömen entstehende Wärme ist minimal. Das Ventil ist so ausgebildet, daß die Magnetspule S im wesentli. chen auf derselben Temperatur wie das Druckmedium gehalten wird, welches durch das Ventil gesteuert wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß die Wärme des Druckmediums auf die Magnetspule übertragen und letztere zugleich mit einer Wärmeisolierung versehen wird, um ein Abkühlen der Magnetspule zu vermeiden. Die Isolierung kann durch einen Luftspalt oder Luftmantel oder aber durch eine nicht-metallische Isolierschicht 896 bewirkt werden. Ändert sich die Temperatur, mit der das Druckmedium in den Einlaß 813 gelangt, so wird aufgrund der Wärmeübertragung über das Metall des Kolbengehäuses R und das Metall des Steuerdruckgehäuses G die Temperatur der Magnetspule S entsprechend verändert. Die Temperatur der Magnetspule S wird durch die Temperatur des Druckmediums stärker beeinflußt als durch die Stromwärme.
Die Magnetspule S besteht z.B. aus 1.400 Kupferdrahtwindungen mit einem Widerstand bei 20° C von etwa 24 Ohm, der mit der Temperatur ansteigt. Bei einer festen Erregerspannung an der Magnetspule S vermindert sich daher bei zunehmender Spulentemperatur der Stromfluß und damit auch der Magnetfluß. Daraus folgt, daß sich das Steuerelement K nach links verstellt, was zu einer Bewegung des Ventilschließgliedes in Schließrichtung führt. Erhält die Magnetspule S erheblich größere Wärmemengen aus der Wärme des Druckmediums als durch die Stromwärme nach der Beziehung 1 R erzeugt wird, so läßt sich ein nahezu vollständiger Temperaturausgleich bei Schwankungen in der Betriebstemperatur des hydraulischen Druckmediums erzielen. Durch Auswahl der Metalle für den Magnetspulendraht, d.h. durch Verwendung von Metallen mit entsprechendem Temperatur-Widerstandskoeffizienten, ist eine mehr oder weniger große Temperaturkompensation erreichbar.
Bei Ausfall der elektrischen Stromzuführung bewegt sich bei dem vorstehend beschriebenen Ventil das Steuerelement K unter der Wirkung der Feder 895 nach links, wodurch der auf die rechte Kolbenfläche des Kolbens I wirkende Druck auf den Einlaßdruck ansteigt, so daß unter der Differentialwirkung der Kolben I in die Ventilschließstellung gebracht wird.
Fig. 9 zeigt eine Ventilpatrone der erfindungsgemäßen Bauart, die als Einheit in ein Leitungsgehäuse od.dgl. einführbar ist, welches im Inneren einen Hochdruck-Einlaßkanal und einen Auslaßkanal für den gesteuerten Druckmittelauslaß aufweist. Dieses Einlaßgehäuse ist strichpunktiert angedeutet und besteht aus einem Metallblock mit einem zylindrischen Kanal 910, dessen Innenwand mit 911 bezeichnet ist. der Kanal 910 erstreckt sich von der Gehäuseseite 912 zu einer Stelle, an der mit einer Hochdruckquelle verbunden ist. Im Gehäuse ist ferner ein zylindrischer Auslaßkanal 914 angeordnet, der im Abstand von der Gehäusefläche 912 den Kanal 910 schneidet. Der Kanal 910 ist an seiner Mündung mit einem Innengewinde 916 versehen, in welches die Ventilpatrone einschraubbar ist.
Die Ventilpatrone besteht im wesentlichen aus einem Kolbengehäuse AA, einem die Steuerdruckkammer bildenden Gehäuse BB, einem Ventilbetätigungskolben CC, einem Ventilsitz DD, einem Steuerkanalelement FF, einem Steuerelement GG und einer Magnetspule SS, bei deren Erregung das Steuerelement GG nach rechts verstellt und entsprechend der Ventilkolben CC nach rechts, d.h. in Öffnungsrichtung des Ventils, bewegt wird.
Das Gehäuse AA besteht im wesentlichen aus einem Block aus hochfestem magnetisch wirksamen Metall und weist einen zylindrischen Gehäuseraum mit einer zylindrischen Innenfläche 920 auf. Das Gehäuse AA weist etwa im mittleren Bereich ein Außengewinde auf, mit der sich die Ventilpatrone in das Innengewinde 916 des Gehäuseblocks einschrauben läßt. Die Abdichtung der Schraubverbindung erfolgt mittels einer 0-Ringdichtung 921. Das Patronengehäuse AA faßt mit seinem linken Ende bis hinter die Mündung des Auslaßkanals 914 in den Kanal 910 und ist hier mittels eines 0-Ringes 922 abgedichtet. Zwischen den Dichtungen 921 und 922 weist das Patronengehäuse radiale Öffnungen 924 auf, die den Anschluß zu dem Auslaßkanal 914 herstellen.
Das Ventilsitzglied DD besteht aus einem hülsenartigen Teil aus magnetisch wirksamem Werkstoff; es ist am linken Ende der Kammer 919 der Ventilpatrone abgedichtet und durch einen Haltering 934 gesichert.
Das Steuergehäuse BB entspricht im wesentlichen dem Steuergehäuse der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Es weist ein Paar im Axialabstand zueinander angeordneter, magnetisch wirksamer Teile 970, 971 auf, die durch ein magnetisch unwirksames Zwischenteil 972 getrennt sind. Diese Teile sind miteinander verfugt und verlötet, so daß sie ein druckdichtes Gehäuse bildet Die Teile 970, 971 und 972 bilden zusammen einen Axialkanal mit einer zylindrischen Innenwand 975. Am rechten Ende ist dieser Kanal von einem topfförmigen Schraubstopfen 976 verschlossen, der in das Teil 971 eingeschraubt und mittels eines O-Ringes 977 abgedichtet ist. Der Stopfen 976 besteht ebenfalls aus magnetisch wirksamem Werkstoff. Die Magnetspule SS umschließt die Teile 976, 970, 972 und 971 und liegt in einem Gehäusemantel 980 aus magnetisch wirksamem Werkstoff, welcher zwischen der Außenfläche des Stoffes 976 und dem Patronengehäuse AA, in Anlage hierzu, angeordnet ist. Auch das Patronengehäuse AA ist aus einem magnetisch wirksamen Material gefertigt.
Der Kolben CC gleitet in Dichtanlage an der Innenwand 920 des Gehäuses AA und weist am Umfang mehrere im Axialabstand angeordnete umlaufende Druckausgleichsnuten 940 auf. Am linken Ende des Kolbens CC ist eine Ventilsitzanlagefläche 941 angeordnet, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens CC.
Der Kolben CC ist mit einem axialen Längskanal 964 versehen, der sich von seiner rechten Kolbenfläche 942 zu einer ringförmigen Kolbenfläche 965 erstreckt und damit die Verbindung der Steuerdruckkammer mit dem Auslaß- oder Niederdruck herstellt. Das linke Ende des Kanals 964 ist bei 966 im Durchmesser verjüngt und bildet hier beine Drosselstelle.
An der rechten Kolbenfläche 942 ist das Steuerkanalelement FF angeordnet, welches sich nach rechts in die Steuerdruckkammer erstreckt. Die Kolbenfläche 942 bildet zusammen mit der rechten Endfläche 943 des Steuerkanalelementes FF eine Druckfläche zur Verstellung des Kolbens CC nach links. Die Außenfläche 944 des Sfeuerkanalabmentes FF weist eine umlaufende Nut 945 auf, die über einen radial gebohrten Querkanal 946 mit einem Axialkanal 947 verbunden ist, der sich von einer in Nähe der Endfläche liegenden Stelle zu dem linken Ende 948 des Kolbens CC erstreckt. In der Fläche 944 des Steuerkanalelementes sind außerdem umlaufende Druckausgleichsnuten 953 angeordnet.
In das rechte Ende des Kanals 947 ist ein Stopfen 950 aus magnetisch wirksamem Werkstoff eingesteckt, der einen Axialkanal 951 aufweist, welcher über einen gebohrten Querkanal 952 mit dem Hochdruckkanal 910 und andererseits mit dem Kanal 947 des Kolbens CC verbunden ist, so daß das Hochdruckmedium an der Nut 945 steht. Die linke Stirnfläche 948 des Stopfens 951 ist im äußeren Kantenbereich abgeschrägt, um den auftreffenden Druckflüssigkeitsstrom an dieser Stelle aufzuteilen und in weitgehend wirbelfreiem Strom in Richtung auf den Ventilsitz 932 zu lenken, wenn sich das Ventil im Öffnungszustand befindet.
Das Steuerelement GG ist angenähert topfförmig ausgebildet. Es besteht aus einer Bodenfläche 955 und einer Umfangsfläche 956. Der Durchmesser der Innenbohrung ist so gewählt, daß das Steuerelement GG auf der Außenfläche 944 des Steuerkanalelementes FF dichtend gleitet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also das Steuerelement GG auf dem zapfen-oder stangenförmigen Steuerkanalelement FF, statt an der Innenwandung der Steuerdruckkammer, gleitend abgestützt.
Die Außenfläche 958 des Steuerelementes GG weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser der-Fläche 920, so daß sich hier ein Spalt bildet, über welchen die Nut 945 in Druckmittelverbindung mit der Kolbenfläche 942 des Kolbens CC steht. Die den Mantel des Steuerelementes GG bildenden Wände des Topfstückes sind mit quer gebohrten Öffnungen 960 versehen, die den Raum auf der Außenseite des Steuerelementes mit der Nut 945 verbinden. Die Öffnungen 960 überschneiden das rechte Ende der Nut 945 um ein Maß, welches etwa dem halben Durchmesser entspricht.
Zwischen dem linken Ende des Steuerelementes GG und der Kolbenfläche 942 befindet sich ein Abstandselement 962 aus magnetisch unwirksamem Material.
Das Steuerelement GG wird von einer Feder 982 in die linke Position gedrückt, die sich einerseits am Boden des topfförmigen Stopfens 976 und andererseits am Boden einer Bohrung 985 abstützt, die sich am rechten Ende des Steuerelementes GG befindet. Die Bohrung 985 ist über eine kleine Öffnung oder Drossel 986 in dem Boden 955 mit dem Innenraum des Steuerelementes verbunden. Diese Öffnung bildet eine Dämpfungsöffnung, welche die Stellbewegung des Steuerelementes GG gegenüber dem Steuerkanalelement FF stabilisiert.
Wenn im Betrieb die Magnetspule SS von der Stromquelle gemäß Fig. 4 her erregt wird, so stellt sich ein geringer Strom in der Spule ein, der einen kleinen Magnetfluß erzeugt, welcher zur Verstellung des Steuerelementes GG gegen die Anfangskraft der Feder 982 nicht ausreicht. Der Hochdruck im Kanal 910 wird über die Kanäle 952, 951, 947, 946 und die Nuten 945 und 960 auf die rechte Seite des Kolbens CC übertragen. Da die rechte Kolbenseite größer ist als die druckbeaufschlagte Fläche des Ventilsitzes 932, wird der Kolben CC nach links geschoben. Unter allen Betriebszuständen liegt eine gedrosselte Druckmittelverbindung über diese Kanäle zur Steuerdruckkammer hin und von hier über den Kanal 964 und die Drossel 966 zu dem Auslaß vor 914 hin. Das Druckmittelvolumen wird primär durch die Größe der Drossel 966 bestimmt.
Bei stärkerer Erregung der Magnetspule SS bewegt sich das Steuerelement GG nach rechts und drosselt die Verbindung zwischen der Nut 945 und den Kanälen 960. Hierbei stellt sich ein Druckabfall in der Steuerdruckkammer ein mit der Folge, daß sich der Kolben CC nach rechts bewegt und damit das Ventil öffnet.
Das über den Auslaß 914 abfließende Druckmedium wird z.B. einer hydraulischen Vorrichtung zugeführt, wobei sich in dem Auslaß 914 ein bestimmter Druck aufbaut. Das beschriebene Ventil hält zwischen dem Einlaß 910 und dem Auslaß 914 einen konstanten Differenzdruck aufrecht. Falls dieses Druckgefälle erhöht oder vermindert werden soll, so wird die Magnetspule SS entweder erregt oder elektrisch abgeschaltet, wodurch sich das Steuerelement GG entweder nach rechts oder nach links bewegt und das Ventilschlie?gied in Schließrichtung oder in Öffnungsrichtung verstellt wird.
Der Ventilsitz DD und die Gehäuse AA und BB bestehen aus magnetisch wirksamem Werkstoff. Der Erregerstrom in der Magnetspule SS reicht aus, um ein Magnetfeld um die Ventilsitzanlagefläche 941 herum und in deren Nähe zu erzeugen. Dieses Magnetfeld zieht Magnetpartikel, die von dem im Bereich der Kanäle 952 gedrosselten Druckmedium mitgeführt werden, an und lagert sie in Nähe des Ventilsitzes 941 ab. Beim Öffnen des Ventils werden die abgelagerten Verunreinigungen ausgespült.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein zweiteiliges Gehäuse vorgesehen, dessen eines Gehäuseteil das Arbeits- oder Stellglied aufnimmt und eine Hochdruckkammer aufweist, während das andere Gehäuseteil das eine Steuerdruckkammer bildende Steuergehäuse ist. Die Gehäuseteile können einstückig gefertigt sein oder aus gesondert gefertigten Gehäusen bestehen, die nachträglich druckdicht miteinander verbunden werden. Das Arbeits- oder Stellglied weist eine von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagte Fläche auf und ist in seinem Gehäuse unter der Druckwirkung auf diese Fläche gegen in entgegengesetzter Richtung wirkende Kräfte in Positionen beweglich, die von einem magnetisch einstellbaren oder magnetisch beweglichen Steuerelement genau bestimmt werden. Das Arbeits-oder Stellglied kann unterschiedliche Funktionen erfüllen, z.B. einen aus dem Gehäuse herausgeführten Schaft oder ein sonstiges Stellglied verstellen, ferner eine Ventilfeder entspannen oder zusammendrücken, einen Ventilschieber betätigen, ein Ventilschließglied betätigen, welches mit dem Stellglied einstückig verbunden ist oder aus einem gesonderten Teil besteht, den Kolben einer Pumpe hin- und herbewegen oder sonstige Betätigungen ausführen, die einen kurzen Hub von z.B. unter 52 mm in einer Hubrichtung bei hoher Hubkraft erfordern.
Da bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1, 7 und 8 die beiden Gehäuseteile getrennt hergestellt und anschließend miteinander verbunden sind, kann eine genaue axiale Ausrichtung der beiden Gehäuseräume Schwierigkeiten verursachen. Das Stellglied ist in dem einen Gehäuse verschiebbar, während das Steuerelement sich in dem anderen Gehäuse bewegt und das Steuerkanalelement dicht umschließt. Bei Fluchtungsschwierigkeiten empfiehlt sich die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Befestigung des Steuerkanalelementes an dem Stellglied.
Bei bekannten elektromagnetisch gesteuerten Nadelventilen sind für die Steuerung selbst kleiner Druckflüssigkeitsmengen verhältnismäßig große elektrische Leistungen erforderlich, z.B. 12 Watt für eine Druckflüssigkeitsmenge von höchstens 1,8 l/min. bei 210 bar, was einem Verhältnis von 24 Watt je 3,7 1 entspricht. Außerdem ist hier die Anordnung so getroffen, daß diese Ventile entweder voll geöffnet oder voll geschlossen sind. Die maximale Durchströmmenge ist so gering, daß sie normalerweise nur dazu-verwendet werden kann, ein weiteres druckbetätigtes Hauptventil zu steuern, welches dann seinerseits die größere Druckflüssigkeitsmenge steuert, die von einer gesteuerten druckmittelbetriebenen Vorrichtung benötigt wird. Mit der vorliegenden Erfindung kann das Ventil dagegen solch große Druckmittelvolumen steuern, daß das Druckmittel unmittelbar als Betriebsmedium zur Betätigung einer leistungsstarken hydraulischen Vorrichtung eingesetzt werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es mögich, mit einer Leistung von höchstens 6 Watt Druckmittelmengen von über 113,5 l/min. bei einem Verstellbereich zwischen 400 cm³/min. und über 113,5 l/min. zu steuern. Bei einem Kraftschalter oder Servomotor der erfindungsgemäßen Art kann bei einem Betriebsdruck von 210 bar und einem Stellglied von 50,8 mm leicht eine Last bis über 4.000Kg mit einer elektrischen Leistung von 6 Watt, d.h. bei einem Verhältnis von 680 Kg je Watt, gesteuert werden. Mit größeren Stellglieddurchmessern lassen sich entsprechend größere Leistungsverhältnisse erzielen.
Bei den Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 5 ist es möglich, ein Stellglied bzw. Stellkolben durch kontinuierliche Änderung der Magnetkraft an dem Steuerelement C, C' hin- und herzubewegen, indem z.B. der Potentiometerarm eine oszillierende Bewegung ausführt, oder mit einem die Steuerkammer umschließenden oszillierenden Permanentmagneten gearbeitet wird oder indem der Schalter des in Fig. 1 gezeigten Solenoiden ein- und ausgeschaltet wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 läßt sich die hin- und hergehende Kolbenbewegung durch Umschalten von dem einen auf den anderen Magneten erreichen. Die Hubbewegung des Stellkolbens kann z.B. zur Betätigung einer Kolbenpumpe ausgenutzt werden.
Bei einem Druckverstärker nach den Fig. 1 und 5 kann auch der Kanal 75 fortgelassen werden, und es kann der Hochdruck-Verbindungskanal 70 durch andere Mittel ersetzt werden. Die mit der Einlaßöffnung versehene Hochdruckkammer 16 kann über ein Rückschlagventil mit der Hochdruckseite verbunden sein. Außerdem kann hier der Auslaß über ein Rückschlagventil mit einer Vorrichtung verbunden sein, die von dem über den Druck des Hochdruckmediums verstärkten Druck des Betriebsmediums versorgt wird.
Zur Verstellung des Steuerelementes in der Steuerdruckkammer werden Magnetvorrichtungen bevorzugt verwendet. Solche Vorrichtungen sind einfach; sie benötigen geringe elektrische Kräfte und lassen sich über einfache elektrische Drahtleitungen und Steuerungen ohne Schwierigkeiten fernsteuern. Falls für die Magnetvorrichtung eine Permanentmagnetvorrichtung an der Außenseite des Gehäuses vorgesehen wird, besteht das Steuerelement vorzugsweise ebenfalls aus einem Permanentmagneten, während das das Steuerelement umschließende Gehäuse aus einem magnetisch unwirksamen Werkstoff, z.B. austinitischem rostfreien Stahl, besteht. Die Verbindung eines Steuerelementes in Form einer Hülse, welche ein Steuerkanalelement umschließt, in welchem mindestens einer der zu der Steuerdruckkammer führenden Kanäle liegt, ist neu und von erfinderischer Eigenart. Bei einer solchen Kombination aus Steuerelement und Steuerkanalelement können ggf. auch andere Einstellvorrichtungen für das Steuerelement verwendet werden, z.B. ein Zug-Schubglied, eine Zahnstange mit Ritzel, wobei die Zahnstange-mechanisch mit dem Steuerelement verbunden und das Ritzel über eine Welle angetrieben wird, die sich durch das Steuerdruckgehäuse erstreckt. Ferner kann zur Einstellung des Steuerelementes das die Steuerkammer bildende Gehäuse gegenüber dem das Stellglied aufnehmenden Gehäuse über ein Gehäuse-Gewinde gedreht und damit verstellt werden.

Claims

1. Magnetisch gesteuerte Druckmittelvorrichtung, insbesondere Stellmotor, Servoventile u.dgl., mit einem Gehäuse, welches ein Stellgliedgehäuseteil mit einer Hochdruckkammer und ein Steuergehäuseteil mit einer Steuerdruckkammer umfaßt, mit einem in dem Stellgliedgehäuseteil beweglichen, von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagten Stellglied od.dgl., mit gesonderten Ein- und Auslaßkanälen für die Hochdruck-und Niederdruckverbindung der Steuerdruckkammer, und mit einem vollständig in der Steuerdruckkammer liegenden Steuerelement, welches zumindest relativ zu dem einen Kanal beweglich ist, um die Verbindung des einen Kanals mit der Steuerdruckkammer gegenüber der Verbindung des anderen Kanals mit dieser Steuerdruckkammer zu schließen oder zu öffnen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) mindestens einer der genannten Kanäle (70, 75; 75'; 675, 780, 880, 947) ist mit dem Stellglied (P, P', N, W, I, CC) beweglich;

b) das Steuerelement (C, C', F, FJ,Y) besteht aus einem solchen Werkstoff, daß es unter der Wirkung eines Magnetfeldes in der Steuerdruckkammer (22, 45; 717, 810, 919) in Steuerpositionen einstellbar ist;

c) eine steuerbare Magnetvorrichtung zur Verstellung des Steuerelementes in der Steuerdruckkammer.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N, W, I, CC) unter einer Gegenkraft steht, die in Gegenrichtung zu der von der Steuerdruckkammer (22, 45; 717, 810, 919) her ausgeübten Kraft wirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N, W, I, CC) eine von dem Druck in der Hochdruckkammer (16, 66,65) beaufschlagte Kolbenfläche aufweist, die kleiner ist als die vom Steuerdruck beaufschlagte Kolbenfläche.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Hochdruck beaufschlagte Kolbenfläche halb so groß ist wie die vom Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagte Kolbenfläche.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P) einen aus dem Gehäuse (H, M) herausragenden Schaft (0) od.dgl. aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (N) den Schieber (D) eines Schieberventils bildet oder mit diesem gekoppelt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (W, I, CC) ein Ventilschließglied (734, 844, 941) aufweist oder mit diesem gekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Stellglied (W) die Federkraft eines federbelasteten Ventils einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N, W, I, CC) und das Steuerelement (C, C', F, F',Y) in Achsrichtung hintereinander im Gehäuse angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N, W, I, CC) ein sich in die Steuerdruckkammer (22, 45; 717, 810, 919) erstreckendes, vorzugsweise stangen- oder rohrartiges, Steuerkanalelement (E, E',X, K, J, FF) aufweist, wobei mindestens einer der genannten Kanäle (70, 75; 75', 675, 780, 880, 947) eine Öffnung (80, 81; 680; 882, 946) an der Seitenfläche des Steuerkanalelementes aufweist, und daß das Steuerelement gegenüber dem Steuerkanalelement beweglich ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C, C', F, F',Y) hülsenförmig ausgebildet ist und das Steuerkanalelement (E, E', K,X, J, FF) umschließt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C, C', F, F',Y) in der Steuerdruckkammer verschiebbar gelagert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C, C', F, F', Y) auf dem Steuerkanalelement verschiebbar abgestützt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (80, 678, 882, 946) an der Seitenfläche des Steuerkanalelementes mit dem Hochdruckeinlaßkanal (70, 675, 780, 880, 947) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkanalelement (E, E') mit im Abstand voneinanderliegenden, mit dem EinlaBkanal (70) bzw. im Auslaßkanal (75) verbundene Öffnungen (80, 81) aufweist, die von dem beweglichen Steuerelement (C, C') gegenläufig zueinander in Schließrichtung bzw. in Öffnungsrichtung gesteuert sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal gegenüber dem Einlaßkanal gedrosselt ist, wobei das Steuerelement (F, F', Y) den EinlaBkanal (675, 780, 880, 947) in Öffnungs-und Schließrichtung steuert.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal aus einer Mehrzahl von Drosselstellen mit rechtwinkligen Drosselkanten besteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstellen durch umlaufende Nuten (670, 750, 841) gebildet sind, die von einer Längsnut (671, 752, 850) des Stellgliedes geschnitten werden, welches in dem Stellgliedgehäuse gleitend und dichtend geführt ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkanal von einem Kolben-hängskanal (964) gebildet ist, der eine Drosseleinschnürung (966) aufweist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N, W, I, CC) ein sich in die Steuerdruckkammer (22, 45; 717, 810, 919) erstreckendes Zylinderteil aufweist, und daß mindestens einer der genannten Kanäle eine in eine Umfangsnut (80, 81, 678, 855, 945) des Zylinderteils mündende seitliche Öffnung aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das hülsenartige Steuerelement (C, C', F, Y,F') an seiner Innenfläche eine Steuernut (90, 681, 790, 890) aufweist, welche die Verbindung zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite über die Kanäle herstellt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Zylinderteiles bzw. des Steuerelementes die Kanäle (70, 75, 75') im Axialabstand in Öffnungen münden, und daß das hülsenförmige Steuerelement (C, C') eine in Umfangsrichtung verlaufende Steuernut (90) aufweist, deren Flanken (90', 90") in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der angenähert dem Abstand der einander zugewandten Seiten (80", 81') der Öffnungen (80, 81) entspricht.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (80, 81) aus Umfangsnuten bestehen.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N, W, I, CC) ein sich in die Steuerdruckkammer (22, 45; 717, 810, 919) erstreckendes Element (E, E', K, X, J, FF) aufweist, und daß mindestens einer der genannten Kanäle sich von diesem Element durch das Stellglied hindurch erstreckt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der mit dem Hochdruckraum (16) verbundene Einlaßkanal (70) als auch der zu der Niederdruckseite führende Auslaßkanal (75, 75') sich durch das Stellglied und das in die Steuerdruckkammer ragende Element (E, E^I) erstrecken.

26. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N) einen vom Druck in der Hochdruckkammer (16, 661) beaufschlagbaren Hochdruckkolben (Q, L) aufweist, und daß das Stellglied auf derjenigen Seite, die der von dem Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagten Seite gegenüberliegt, vom Niederdruck beaufschlagt ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Magnetvorrichtung mindestens eine die Steuerdruckkammer umschließende Magnetspule (S, S') aufweist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, gekennzeichnet durch eine das Steuerelement (C, C', F, F',Y) in eine vorbestimmte Position einstellende Federvorrichtung (95, 95', 795, 895, 982).

29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Magnetvorrichtung eine Einstellvorrichtung (Fig. 4 und Fig. 5A) aufweist, mit der die Magnetspule (S, S') mit einem Mindest-Erregerstrom, bei welchem auf das Steuerelement eine etwa der Anfangskraft der Federvorrichtung entsprechende Magnetkraft wirkt, bis zu einem maximalen Erregerstrom beaufschlagbar ist, bei welchem die Federvorrichtung stärker vorgespannt ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (W) auf seiner der Steuerdruckkammer (717) gegenüberliegenden Seite eine Ausnehmung od.dgl. (773) für die Schließbelastung eines Ventilgliedes (734) aufweist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung (95, 95^t) zu beiden Seiten des Steuerelementes (C') angeordnete, das Steuerelement in eine Mittellage in der Steuerdruckkammer einstellende Federn aufweist.

32, Vorrichtung nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch die Anordnung von Anschlägen (122, 133) deren Abstand geringfügig größer ist als die Länge des Steuerelementes (C'), wobei die Federn (95, 95') an den Anschlägen angreifen und diese im Abstand von dem Ende des Steuerelementes (C') halten.

33. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C') in beiden Hubrichtungen magnetisch verstellbar ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Magnetvorrichtung ein Paar axial ausgerichteter Magnetspulen (S, S') aufweist, welche die Steuerdruckkammer (22, 45) umschließen und in Bezug auf die Mittellage des Steuerelementes (C') symmetrisch angeordnet sind.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß zur wahlweisen Strombeaufschlagung der Magnetspulen (S, S') eine Stromquelle (146) mit einen parallel zu den in Reihe liegenden Magnetspulen angeordneten Potentiometer (142) vorgesehen ist, wobei der Abgreifer (144) des Potentiometers mittig zwischen die elektrische Verbindung der Magnetspulen angeschlossen ist.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C, C', F, F', Y) mindestens teilweise aus magnetisch wirksamen Werkstoff besteht.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das hülsenförmige Steuerelement (C, C', F, F', Y) eine Außenbeschichtung (105) aus einem unmagnetischen Material, vorzugsweise Kunststoff, aufweist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C, C', F, F', Y) mit einem vorbestimmten Spiel (cx) in der Steuerdruckkammer angeordnet ist, und daß die unmagnetische Beschichtung (105) eine Dicke (t) aufweist, die mindestens dem doppelten Spiel entspricht.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit einem Ventilschließglied 1844) versehenen Stellglied (I) die Magnetspule (S) von einer ihre Wärmeabstrahlung verhindernden Umhüllung od.dgl. (896) umgeben ist, wobei die Magnetspule in wärmeübertragender Verbindung mit dem Druckmedium steht, derart, daß die von dem Druckmedium zur Magnetspule übertragene Wärme größer ist als die durch den Erregerstrom in der Magnetspule erzeugte Wärme.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegen den Ventilsitz (820) legende Fläche (845) des am Stellglied (I) angeordbneten Ventilschließgliedes (844) konkav ausgeformt ist und sich entgegen der Öffnungsrichtung des Ventils konisch verjüngt.

41. Vorrichtung nach einem der ANsprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hochdruckkammer (813, 910) ein magnetischer bzw. magnetisierbarer Ventilsitz (820, 932) angeordnet ist, daß das Stellglied (I, CC) eine sich bis hinter den Ventilsitz erstreckende, sich konisch verjüngende Ventilsitz-Anlagefläche (844, 845, 941) aufweist, und daß der EinlaBkanal (880, 947) sich durch den sich hinter den Ventilsitz erstreckenden Teil der Ventilsitz-Anlagefläche erstreckt.

42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (820) eine im wesentlichen geschlossene Ausnehmung eines etwa topfförmigen Ventilsitzgliedes (814) umschließt, daß das Ventilschließglied (844) in die Ausnehmung einfaßt, und daß in der die Ausnehmung umschließenden Wand angeordnete Kanäle (821) die Hpchdruckkammer (813) mit der Innenseite des topfförmigen Ventilsitzgliedes (814) verbinden.

4₃. Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Stellgliedes (I, CC) eine den Strom des Druckmediums in Richtung auf den Ventilsitz (820, DD) umlenkende Fläche (948) vorgesehen ist.

44. Vorrichtung nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, daß der EinlaBkanal (880) mit der Hochdruckkammer (813) über etwa radial verlaufende Kanäle (821) verbunden ist.

45. Vorrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß sich der EinlaBkanal von der Nähe des Endes des Steuerkanalelementes (E, E', K) durch das Stellglied und den vom Hochdruck beaufschlagten Hochdruckkolben (Q, L) hindurch erstreckt und auf der dem Steuerkanal gegenüberliegenden Seite mit der Hochdruckkammer verbunden ist.

46. Vorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß bei einen Schieberventil der den Schieber (D) aufnehmende zylindrische Gehäuseraum des Gehäuses (A) an einem Ende eine im Durchmesser verjüngte Kammer (661) aufweist, daß in dem Gehäuseraum als Stellglied ein Steuerkolben (N) geführt ist, der eine Steuerdruckkammer bildet, daß Hochdruck- und Niederdruckein- und -auslaßöffnungen (640, 642, 644) zwischen dem Steuerkolben (N) und der im Durchmesser verjüngten Kammer (661) vorgesehen sind, daß ein dem Schieber (D) zugeordneter Hochdruckkolben (L) in der im Durchmesser verjüngten Kammer (661) dichtend geführt ist, daß das dem Steuerkolben (N) zugeordnete, in den Steuerdruckraum ragende Steuerkanalelement (K) mindestens eine radial mündende Öffnung (680) aufweist, die über Kanäle (675, 658) in dem Hochdruckkolben, dem Schieber, dem Steuerkolben und dem Steuerkanalelement mit dem Einlaßdruck verbunden ist, daß der Steuerdruckraum über einen Auslaßkanal (634) mit dem Niederdruck bzw. dem Rücklauf verbunden ist, und daß ein von der Magnetvorrichtung betätigtes Steuerelement (F) zur veränderlichen Drosselung der Verbindung zwischen Ein- und Auslaßkanal in der Steuerdruckkammer gegenüber der Öffnung (680) des Steuerkanalelementes (K) verstellbar ist.

47. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (680) in einer Nut (678) an der Außenfläche des stangenförmigen Steuerelementes (K) mündet, und daß die Nutöffnung durch das das Steuerkanalelement umschließende hülsenförmige Steuerelement (F) in ihrem Drosselquerschnitt gesteuert ist.

48. Vorrichtung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß das hülsenförmige Steuerelement (F) an seiner Innenfläche eine mit der Nut (678) des Steuerkanalelementes (K) zusammenwirkende Steuernut (681) aufweist, die mit der Außenseite des Steuerelementes verbunden ist.

49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung zwei axial hintereinander angeordnete Magnetspulen (S, S') aufweist, die das Steuerelement (F) umschließen, und daß aus Federn und Anschlägen bestehende Zentriermittel für das Steuerelement, vorzugsweise zu beiden Seiten des Steuerelementes, vorgesehen sind.

50. Vorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 45, zur Verwendung als Stellmotor, Kraftbetätiger u.dgl., gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Gehäuse mit einem zylindrischen Gehäuseraum, der an einem Ende eine im Durchmesser verjüngte, die Hochdruckkammer (16) bildende Gehäusekammer aufweist, in welcher ein Differentialkolben mit seinem Hochdruckkolben (Q) gleitet, während sein im Durchmesser größerer Steuerkolben (P) in dem im Durchmesser größeren Teil des Gehäuseraumes geführt ist und diesen Gehäuseraum in eine auf der Seite des Hochdruckkolbens liegende Niederdruckkammer (15) und in eine auf der anderen Seite liegende Steuerdruckkammer (22) unterteilt;

b) ein sich von dem Steuerkolben (P) in die Steuerdruckkammer (22) erstreckendes Steuerkanalelement (E);

c) ein Einlaßkanal (17), der die Hochdruckkammer (16) mit einer Öffnung (84) an der Seitenfläche des Steuerkanalelementes (E) verbindet;

d) ein Auslaßkanal (75), der die Steuerdruckkammer (22) mit der Niederdruckseite bzw. dem Rücklauf verbindet;

e) ein in der Steuerdruckkammer (22) angeordnetes, das Steuerkanalelement (E) umschließendes Steuerelement (C), welches zur Steuerung der Drosselverbindung der beiden Kanäle (70, 75) zu der Steuerdruckkammer (22) hin verstellbar ist und zumindest teilweise aus einen magnetisch wirksamen Werkstoff besteht;

f) mindestens eine die Steuerdruckkammer umschließende Magnetspule (S, S') zur Verstellung des Steuerelementes (C).

51. Vorrichtung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (70) in einer Umfangsnut (80) des Steuerkanalelementes (E) mündet, deren Drosselquerschnitt durch das Steuerelement (C) veränderlich ist.

52. Vorrichtung nach Anspruch 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C) an seiner Innenseite eine mit der Steuerdruckkammer verbundene Umfangsnut (90) aufweist,

53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkanalelement (E) an seiner Seitenfläche ein Paar im Axialabstand angeordneter Umfangsnuten (80, 81) mit einem dazwischenliegenden Steg (82) aufweist, daß die Einlaß- und Auslaßkanäle (70, 75), welche sich durch den Steuerdruckkolben (P) und das Steuerkanalelement (E) erstrecken, jeweils mit einer der genannten Umfangsnuten (80, 81) verbunden sind, und daß eine an der Innenseite des Steuerelementes (C) angeordnete Steuernut (90) eine axiale Länge hat, die zumindest angenähert gleich der axialen Länge des Steges (82) ist.

54. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung ein Paar im Axialabstand zueinander angeordneter Magnetspulen (S, S') aufweist, daß eine das Steuerelement (C) axial zu den Magnetspulen zentrierende Zentriervorrichtung vorgesehen ist, und daß die Stromquelle der Magnetspulen ein Potentiometer (116x)aufweist, dessen Abgriff (126x) so geschaltet ist, daß bei der Dreh- oder Schwenkbewegung des Abgriffs die eine Magnetspule jeweils nicht erregt und die andere Magnetspule proportional dem Schwenkwinkel des Abgriffs (126x) erregt wird.

55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (S) über ein Potentiometer (116x)zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert erregbar ist, wobei die Erregung bei dem Minimalwert so eingestellt ist, daß hierbei die Magnetkraft am Steuerelement (C) etwa gleich einer auf die Magnetspule wirkenden, diese in einer vorbestimmten Position haltende Federkraft ist.

56. Vorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 45, zur Verwendung als eine elektrisch gesteuerte Ventilpatrone, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Gehäuse (AA) mit einem am einen Ende geschlossenen Gehäuseraum und mit einem zwischen den Gehäuseenden angeordneten Gewinde (916) zur Verschraubung mit einem Druckmittel fUhrenden Teil (912);

b) ein dem Gehäuseraum am offenen Ende umgreifendes Ventilsitzglied (DD) und eine Abdichtung (922) an der Gehäuseaußenfläche in Nähe des Ventilsitzgliedes;

c) ein Auslaß (924) im Gehäuse zwischen dem Ventilsitzglied und dem Gewinde (916);

d) ein Ventilkolben (CC) in dem Gehäuseraum mit einer Ventilsitzanlagefläche (941), dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Ventilsitzes und der den Gehäuseraum in eine auf der geschlossenen Gehäuseseite liegende Steuerdruckkammer (920) und eine in Nähe des Gehäuse-Auslasses liegende Niederdruckkammer unterteilt;

e) ein sich von dem Kolben in die Steuerdruckkammer erstreckendes Steuerkanalelement (FF) mit einer an seiner Außenseite liegenden Öffnung (946), die zu der Hochdruckseite an der Ventilsitzanlagefläche hinführt;

f) ein Drosselkanal am Ventilkolben (CC), welcher die Steuerdruckkammer mit der Niederdruckkammer verbindet;

g) ein die genannte Öffnung (946) drosselndes, in der Steuerdruckkammer bewegliches federbelastetes Steuerelement (GG), welches zumindest teilweise aus magnetisch wirksamen Werkstoff besteht;

h) eine magnetische Verstellvorrichtung außerhalb des Gehäuses zur Verstellung des Steuerelementes gegen die Federrückstellkraft.

57. Vorrichtung nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (GG) eine Bohrung aufweist, in die das Steuerkanalelement (FF) dichtend und verschiebbar einfaßt und an deren Boden eine Drosselöffnung (986) angeordnet ist, über welche die Bohrung des Steuerlementes mit der Steuerdruckkammer verbunden ist, wobei die Kanäle (960) an der Seite des Steuerelementes die Öffnungen (946) des Steuerkanalelementes mit der Steuerdruckkammer verbinden.

58. Vorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 45 zur Verwendung als Überdruckventil, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Gehäuse mit einer am einen Ende geschlossenen Druckkammer und mit einem am anderen Ende angeordneten HochdruckeinlaB (724) mit ihn umschließendem Ventilsitz (731);

b) eine Niederdruckauslaßöffnung (740) in Nähe des Ventilsitzes und ein im Gehäuse bewegliches, von e:.ner Schließfeder (774) belastetes Ventilschließglied (734) mit einer Ventilsitzanlagefläche (735) am einen Ende;

c) ein in der Kammer bewegliches, diese in eine Steuerdruckkammer (717) und eine Niederdruckkammer (710) unterteilendes Stellglied (W), welches eine vom Druck in der Steuerdruckkammer beaufschlagte Kolbenfläche, eine kleinere, vom Druck der Hochdruckseite beaufschlagte Kolbenfläche und eine vom Niederdruck beaufschlagte dritte Kolbenfläche aufweist, und welches bei seiner Stellbewegung die Federvorspannung der Schließfeder (774) ändert;

d) in dem Stellglied (W) ist ein die Einlaßseite mit der Steuerdruckkammer verbindender Kanal (780) angeordnet, während die Steuerdruckkammer über einen zweiten Kanal mit der Niederdruckseite verbunden ist;

e) eine magnetisch im Gehäuse verstellbar Vorrichtung (Y) zur Drosselung der Verbindung des erstgenannten Kanals (780) zur Steuerdruckkammer hin gegenüber dem zweitgenannten Kanal.

59. Vorrichtung nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß eine außerhalb des Gehäuses angeordnete, einstellbare Magnetvorrichtung vorgesehen ist.

60. Vorrichtung nach Anspruch 58 oder 59, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvcrrichtung eine Magnetspule (S) aufweist, die von einer entfernt angeordneten einstellbaren Stromquelle erregbar ist.

61. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 60, gekennzeichnet durch ein sich mit dem Stellglied (W) bewegendes Steuerkanalelement (X), wobei der Einlaßkanal (780) radial zu diesem Steuerkanalelement in die Steuerdruckkammer mündet und die magnetisch verstellbare Vorrichtung aus einem hülsenförmigen Steuerelement (Y) aus magnetisch wirksamen Werkstoff besteht, welches das Steuerkanalelement umschließt und durch seine Stellbewegung den Auslaß des Radialkanals drosselt.

62. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 61, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkanalelement (X) eine Umfangsnut aufweist, in welche der Radialkanal mündet, und daß das Steuerelement (Y) und die Nut ein zwischen der Hochdruckseite und der Steuerdruckkammer liegendes Ventil bilden, welches durch die Bewegung des Stellgliedes gegenüber dem Steuerelement einstellbar ist.

63. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 62, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle mindestens eine Wechselstromkomponente aufweist.

64. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 63, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (734) einen von der Hochdruckseite zu der Steuerdruckkammer führenden Innenkanal (779) aufweist, der mit einem Kanal des Stellgliedes (W) und des Steuerkanalelementes in Verbindung steht, und daß das Steuerelement (Y) aus einer magnetisch wirksamen, im Gehäuse verstellbaren Hülse besteht.

65. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 64, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal eine Drosselung mit einer Mehrzahl von rechtwinkligen Drosselkanten aufweist.

66. Vorrichtung nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselung an der Kolbenfläche des Stellgliedes (W) angeordnet ist und aus umlaufenden Drosselnuten (750) und einem diese schneidenden Längskanal (752) besteht, der an seinem einen Ende mit der Steuerdruckkammer und an seinem anderen Ende mit der Niederdruckseite in Verbindung steht.

67. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 66, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (734) mit einem Kolben (V) in eine Zylinderbohrung des Stellgliedes (W) dichtend verschieblich einfaßt, deren Querschnitt kleiner ist als derjenige des Ventilsitzes.

68. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 62, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz konisch ausgebildet ist und die vom Druck der Einlaßseite beaufschlagte Ventilsitzanlagefläche gekrümmt ist, wobei der Krümmungsradius dieser Fläche und der Konuswinkel des Ventilsitzes so aufeinander eingestellt sind, daß der Durchmesser der Berührungslinie dieser beiden Flächen größer ist als der Durchmesser der Ventilglied-Druckfläche.

69. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 68, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (W) aus einem zylindrischen Kolben besteht, der eine koaxiale zylindrische Kammer (773) aufweist, in welcher das Ventilschließglied (V) verschiebbar geführt ist.

70. Vorrichtung nach Anspruch 69, gekennzeichnet durch einen die Bewegung des Stellgliedes bzw. des Kolbens (W) entgegen der Federdruckrichtung begrenzenden Anschlag (721) im Gehäuse.

71. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 70, gekennzeichnet durch eine Federvorrichtung (795) in der Steuerdruckkammer, welche das Steuerelement (Y) in eine Position einstellt, in der der Einlaßkanal (780) ungedrosselt ist.

72. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 71, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der die Steuerdruckkammer bildende Gehäuseteil mindestens teilweise aus unmagnetischem Werkstoff besteht.

73. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 58 bis 72, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseauslaß (740) in Nähe des am Gehäuseendes liegenden Gehäuseeinlasses (724) an der Gehäuseseite angeordnet ist, daß der Ventilkolben (V) eine vom Einlaßdruck beaufschlagte Kolbenfläche (796) aufweist und gegenüber seinem Zylinderraum durch einen O-Ring (767) abgedichtet ist, wobei die genannte Kolbenfläche und der 0-Ring einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als der Durchmesser des Ventilsitzes (795), und daß die Kolbenfeder (774) eine den Ventilkolben gegen den Ventilsitz drückende Druckfeder ist.

74. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 45 zur Verwendung als Durchflußregelventil u.dgl., gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Gehäuse (R) mit einer darin befindlichen Druckkammer und einer Öffnung (814) in der Achse dieser Kammer, wobei an dieser Öffnung ein Ventilsitz (820) angeordnet ist;

b) eine zweite Gehäuseöffnung (830) in Nähe der ersten Gehäuseöffnung (814);

c) ein in der Gehäusekammer beweglicher Ventilkolben (I) mit einer Ventilsitzanlagefläche (845) und mit einer dem gegenüberliegenden Gehäuseende zugewandten Kolbenfläche (851), durch deren Druckbeaufschlagung der Ventilkolben in Schließrichtung belastet ist;

e) ein erster Kanal (880) an dem Ventilkolben, der die Druckkammer hinter der Kolbenfläche (851) mit der Hochdruckseite verbindet und ein zweiter Kanal, welcher die Druckkammer mit der Niederdruckseite verbindet;

f) ein durch ein äußeres Magnetfeld magnetisch im Gehäuse verstellbares Steuerelement (R), mit welchem eine Verbindung der beiden genannten Kanäle drosselbar ist.

75. Vorrichtung nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (R) relativ zu dem Ventilkolben (I) im Gehäuse verstellbar ist und eine Öffnung einer der beiden Kanäle mehr oder weniger überschneidet.

76. Vorrichtung nach Anspruch 74 oder 75, dadurch gekennzeichnet, daß das die Druckkammer umschließende, das aus magnetisch wirksamen Werkstoff bestehende Steuerelement aufnehmende Gehäuse zumindest teilweise aus unmagnetischem Material besteht, und daß eine Magnetspule das Gehäuse und das Steuerelement umgreift.

77. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 76, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement aus einer gegenüber dem Ventilkolben verstellbaren, den Hochdruck führenden Kanal drosselnden Hülse besteht.

78. Vorrichtung nach Anspruch 77, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus einem magnetisch wirksamen Werkstoff und der Ventilkolben (I) sowie zumindest ein Teil des Gehäuses aus unmagentischem bzw. magnetisch unwirksamen Werkstoff besteht.

79. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 74 bis 78, dadurch gekennzeichnet, daß der zu der Niederdruckseite führende Kanal eine Mehrzahl in der Dichtfläche des Ventilkolbens (I) liegende Umfangsnuten (750) und eine diese schneidende Längsnut (752) aufweist, die mit ihrem einen Ende mit der Druckkammer und mit ihrem anderen Ende mit der Niederdruckseite in Verbindung steht.

80. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 45 zur Verwendung als Durchflußregelventil od.dgl, gekennzeichnet durch

a) ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer, einem Hochdruck-Gehäuseeinlaß (814) an dem einen Gehäuseende und einem Niederdruck-Auslaß (830) in Radialanordnung an der Gehäuseseite;

b) das Gehäuse ist zumindest an seinem dem Gehäuseeinlaß gegenüberliegenden Ende zumindest teilweise aus unmagnetischem bzw. magnetisch unwirksamen Material gefertigt;

c) ein den Einlaß (814) umschließender Ventilsitz (820), gegen den sich eine Ventilsitzanlagefläche eines Ventilkolbens (I) im Schließzustand legt, der eine in Gegenrichtung zu der Ventilsitzanlagefläche gerichtete Kolbenfläche (851) aufweist, die mit der Gehäusekammer eine Druckkammer bildet und eine größere Fläche hat als die Ventilsitzfläche;

d) ein mit dem Ventilkolben (I) bewegliches Steuerkanalelement (J) und ein im Ventilkolben und dem Steuerkanalelement angeordnete EinlaBkanal (880) zur Verbindung der Druckkammer (810) mit der Druckseite über eine Seitenöffnung des Steuerkanalelementes;

e) ein gegenüber dem Einlaßkanal gedrosselter Auslaßkanal, der die Druckkammer mit dem Gehäuseauslaß verbindet, und ein in der Druckkammer angeordnetes, wahlweise verstellbares Steuerelement (R) zur Drosselung der Verbindung zwischen Einlaßkanal und Druckkammer, sowie eine außerhalb des Gehäuses angeordnete Einstellvorrichtung für das Steuerelement (R).

81. Vorrichtung nach Anspruch 80, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (R) aus einem magnetisch wirksamen Werkstoff besteht und die Einstellvor-richtung von einer Magnetvorrichtung gebildet ist.

82. Vorrichtung nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung eine Magnetspule aufweist, die zumindest Teile des Gehäuses umgreift.

83. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 80 bis 82, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (R) eine Hülse ist, welche das Steuerkanalelement (J) umgreift.

84. Vorrichtung nach Anspruch 83, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule außerhalb des Gehäuses so angeordnet ist, daß ihre axiale Mittellinie von der axialen Mittellinie der Hülse gegenüber dem Ventilsitz versetzt ist.

85. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 80 bis 84, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (880) in einer Umfangsnut (855) des Steuerkanalelementes (J) mündet.

86. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 80 bis 85, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (S) von einer Wärmeisolierung umschlossen ist.

87. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 80 bis 86, dadurch gekennzeichnet, daß ein etwa topfförmiges, nicht magnetisches Ventilsitzglied (814) vorgesehen ist, dessen Umrandungslippe den Ventilsitz (820) bildet und dessen Topfboden mit seiner Außenseite dem Hochdruck zugewandt ist, wobei in der Topfwand liegende Einlaßöffnungen (821) in Nähe des Ventilsitzes münden, und wobei ferner die Ventilsitzanlagefläche (845) konisch ausgebildet ist und eine in das topfförmige Ventilsitzglied fassende Nase bildet.

88. Vorrichtung nach Anspruch 87, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Ventilsitzanlagefläche eine konkave Ausformung hat.

89. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 88, dadurch gekennzeichnet, daß das hülsenförmige, aus magnetisch-wirksamen Material bestehende Steuerelement (C, C', F, F'.Y) sich zumindest an seinem einen Ende konisch verjüngt.

90. Vorrichtung nach Anspruch 89, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Innen- und Außenfläche des hülsenförmigen Steuerelementes (C, C', F, _F',Y) koaxial zueinander angeordnet sind, und daß in der Außenfläche eine Längsnut (93, 682, 791) vorgesehen ist.

91. Vorrichtung nach Anspruch 89 oder 90, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Außenfläche des hülsenförmigen Steuerelementes (C, C', F, F',Y) eine Beschichtung (105) aus einem magnetisch unwirksamen Material trägt, deren Dicke (t) mindestens gleich dem doppelten Spiel (cx)des Steuerelementes in dem Gehäuse ist.

92. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 89 bis 91, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C, C', F, F',Y) an seiner Innenfläche eine Umfangsnut (90, 681, 790, 890) und einen mit dieser verbundenen Radialkanal (91, 683) aufweist.

93. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 92, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P, P', N, W, I, CC) aus einem Kolben besteht, der zwei in derselben Richtung weisende Kolbenflächen (23, 33) aufweist, von denen die eine dem Hochdruck und die andere dem Niederdruck ausgesetzt ist, während eine dritte, in die Gegenrichtung weisende Kolbenfläche (27) von einem Zwischendruck beaufschlagt ist, und daß von dieser dritten Kolbenfläche aus sich ein Steuerkanalelement (E) axial erstreckt, welches im Abstand von der dritten Kolbenfläche (27) einen Radialkanal (84) aufweist, der mit einem Axialkanal (70) des Steuerkanalelementes und des Kolbens verbunden ist.

94. Vorrichtung nach Anspruch 93, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialkanal (84) in eine Umfangsnut (80) mündet.

95. Vorrichtung nach Anspruch 93 oder 94, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkanalelement (E) im Abstand von dem Radialkanal (84) einen zweiten Radialkanal (86), ggfls. mit Umfangsnut (81), aufweist, der mit einem zweiten Axialkanal (75) im Steuerkanalelement und im Kolben verbunden ist.

96. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 95, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkanalelement (E, E') einstückig oder radial verstellbar mit dem Stellglied bzw. Kolben verbunden ist.

97. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkanalelement (E') durch eine elastische Dichtung, vorzugsweise 0-Ringe (110, 111) geringfügig radialbeweglich mit dem Stellglied verbunden ist.

98. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 97, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung aus zwei nebeneinanderliegenden Magnetspulen (S, S') mit einem durch ein magnetisch unwirksames Glied (42, 42') getrennten gemeinsamen Pol besteht.

99. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 98 zur Verwendung als einfach-oder doppeltwirkender Servomotor, dadurch gekennzeichnet, daß von einem im Gehäuse hubbeweglichen Arbeitskolben (P) eine Stange od.dgl. (E) in eine Steuerdruckkammer (22) ragt, die mindestens eine Öffnung (80, 81) an ihrer Seite aufweist, welche mit einem der die Steuerdruckkammern mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verbindenden Kanäle (70, 71) verbunden ist, und daß ein die Stange umgreifendes hülsenartiges Steuerelement (C) die Verbindung der Öffnung (80, 81) gegenüber dem anderen Kanal durch Drosselwirkung steuert.

100. Vorrichtung nach Anspruch 99, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (C) aus magnetischem Material besteht und durch ein einstellbares Magnetfeld im Gehäuse verstellbar ist.

101. Vorrichtung nach Anspruch 100, gekennzeichnet durch mindestens eine die Steuerdruckkammer umgreifende Magnetspule (S, S').

102. Vorrichtung nach Anspruch 96 oder 97, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (N) eine Bohrung (107) mit einer erweiterten Gegenbohrung aufweist, deren Querschnittsfläche etwa doppelt so groß ist wie diejenige der Bohrung, daß das Steuerkanalelement (E^I) mit einem Schaft (108) in die Bohrung (107) faßt, und einen in de Gegenbohrung liegenden Flansch (121) aufweist, dessen Querschnittsfläche etwa doppelt so groß ist wie diejenige der Bohrung (107), und daß im Axialabstand angeordnete, mit der Niederdruckseite verbundene Dichtungen (110, 111) zur Abdichtung dieser Teile vorgeseher sind.

103. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 96 bis 102, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerkanalelement (E') mit einem im Durchmesser abgesetzten Schaft in einer Bohrung des Stellgliedes (P') angeordnet und durch Dichtungen (110, 111) in der gestuften Bohrung abgedichtet ist, und daß der im Durchmesser kleinere Schaftteil (108) vom Hochdruck, der im Durchmesser größere Schaftteil (121) vom Druck in der Steuerdruckkammer und der Spalt zwischen den Dichtungen (110, 111) vom Niederdruck beaufschlagt ist.